热电池

热电池是一种用于储存和释放热能的物理结构——另见热能储存。这种热电池（又名TBat）允许暂时存储一次可用的能量，然后在另一时间释放。热电池中涉及的基本原理发生在物质的原子水平上，能量被添加到固体物质或液体体积中或从固体物质或液体体积中获取，从而导致物质的温度发生变化。一些热电池还涉及使物质通过相变进行热转变，由于δ熔化焓或δ汽化焓导致更多的能量被存储和释放。

热电池很常见，包括热水瓶等熟悉的物品。热电池的早期例子包括石炉和泥炉、放在火中的岩石和窑。虽然炉灶和窑炉是烤箱，但它们也是蓄热系统，需要长时间保持热量。

热电池一般分为4类，形式和应用各不相同，但基本上都是用于热能的存储和回收。它们的储热方法和密度也不同。

用于储热的相变材料能够在它们相变的温度下储存和释放显着的热容量。这些材料是根据特定应用选择的，因为在不同的应用中可能有用的温度范围很广，并且在不同温度下会发生相变的材料范围很广。这些材料包括专门为它们所服务的应用而设计的盐和蜡。除了人造材料，水也是一种相变材料。水的潜热为334焦耳/克。水的相变发生在0°C(32°F)。一些应用使用水或冰的热容量作为冷库；其他人将其用作储热器。它可以服务于任一应用程序；冰可以融化以储存热量，然后重新冷冻以加热低于冰点的环境（在这样的环境中将液态水置于0°C时，它比相同温度下的相同质量的冰更温暖，因为冷冻的潜热从中提取，这就是相变相关的原因），或者可以将水冷冻以储存冷量，然后融化以使高于冰点的环境更冷（同样，0°C的给定质量的冰将提供比相同温度下相同质量的水）。以这种方式使用相变的优点是给定质量的材料可以吸收大量能量而不会改变其温度。因此，使用相变的热电池可以做得更轻，或者可以将更多的能量投入其中，而不会使内部温度升高到不可接受的程度。

封装热电池在物理上类似于相变热电池，因为它是有限量的物理材料，可通过热加热或冷却来存储或提取能量。然而，在非相变封装的热电池中，物质的温度发生变化而不引起相变。由于不需要相变，因此更多的材料可用于封装的热电池。封装热电池的关键特性之一是其体积热容量(VHC)，也称为体积比热容量。用于这些热电池的典型物质包括水、混凝土和湿沙。封装热电池的一个例子是带有储水箱的住宅热水器。这种热电池通常在大约30-60分钟的时间内缓慢充电，以便在需要时快速使用（例如，10-15分钟）。许多公用事业公司，了解热水器的热电池性质，已经开始使用它们来吸收多余的可再生能源电力，以供房主以后使用。根据上面引用的文章，整个电力系统的净节省可能是每个加热器每年200美元——其中一些可能会转嫁给它的所有者。芬兰已经开展了使用沙子作为储热介质的研究，在那里建造了一个原型沙子电池，将可再生太阳能和风能储存为热能，供以后用作区域供热，并可能在以后发电。

地面热交换器(GHEX)是地球上用作季节性/年度循环热电池的区域。这些热电池是地球上放置管道以传递热能的区域；它们是未封装的，因为目标区域与周围地球的其余部分没有绝缘。通过使温度更高的流体流经管道，从而提高当地地球的温度，从而为GHEX添加能量。也可以通过使低温流体通过这些相同的管道从GHEX中获取能量。GHEX热电池通常以两种形式实现。上图描绘了所谓的水平GHEX，其中挖沟用于将一定数量的管道放置在地下的闭环中。它们也是通过在地面上垂直或水平钻孔形成的，然后将管道以闭环的形式插入，在环的远端有一个U形弯管接头。这些钻孔的GHEX热电池有时也被称为钻孔热能存储系统。可以在任何时间点向GHEX热电池添加或移除热能。然而，它们最常被用作季节性热能储存器，每年循环运行，在夏季从建筑物中提取能量以冷却建筑物并添加到GHEX，然后从GHEX中提取相同的能量在冬季为建筑物供暖。基于所服务建筑物的能源模型，这种能源加减的年度周期是高度可预测的。在这种模式下使用的热电池是一种可再生能源，因为在冬季提取的能量将在明年夏天以不断重复的循环方式恢复到GHEX。这种类型是太阳能供电的，因为它是夏季来自太阳的热量从建筑物中取出并储存在地下供下一个冬季供暖使用。有两种主要的热响应测试方法用于表征GHEX热电池的热导率和热容量/扩散率——对数时间一维曲线拟合和新发布的高级热响应测试。在ASHRAE大楼研究中可以看到GHEX热电池的年度循环特性的一个很好的例子。正如其中按日期划分的地环和环境空气温度图人们可以很容易地看到地温的年循环正弦曲线形状，因为热量在冬季从地面季节性地提取，并在夏季，在一个季节产生地热电荷，该热电荷不会不带电，并将另一个方向从中性驱动到稍后的季节。其他更先进的利用井眼热模式的地基热电池目前正在研究和早期使用中。