[發明專利]固體儲熱介質太陽能高溫儲熱系統

無效

• 申請號: 201010561113.0
• 申請日: 2010-11-23
• 公開（公告）號: CN102032823A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 徐超;王志峰;白鳳武;李鑫
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: F28D20/00
• 分類號: F28D20/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及太陽能高溫儲熱系統，尤其涉及一種儲熱材料為固體的太陽能高溫儲熱系統。

背景技術

太陽能熱發電系統的運行受到強烈不穩定的太陽光照的影響和制約，具有強烈的間歇性。為了克服這一困難，太陽能熱發電系統中一般帶有儲熱系統。儲熱系統可將白天的太陽輻照轉換為熱量儲存起來，在太陽輻射不足或無太陽輻照時再把熱量釋放出來發電。儲熱系統的引入不僅可以對太陽能“移峰填谷”以延長系統發電時間，而且可以有效地穩定系統運行和提高系統發電效率。目前儲熱系統的研究主要集中在儲熱材料和儲熱方式的選擇、以及蓄熱系統的整體優化上。

目前可選擇的儲熱方式主要包括三種：顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學能儲熱。其中顯熱儲熱技術簡單成熟，成本較低，在太陽能熱發電中應用最廣。太陽能熱發電中顯熱儲熱的儲熱材料包括液體材料(如熔鹽和導熱油等)和固體材料(如鑄鐵、鐵礦石、沙土巖石、高溫混凝土等)。熔鹽具有較強的腐蝕性和較高的凝固溫度，對儲熱系統的管道材料選擇和附屬設施的設計要求較高。導熱油由于物性限制，無法做到高溫存儲，通常用于400℃以下，且系統成本較高。固體儲熱材料如混凝土等，具有性能穩定、成本低、儲熱能力強等優點，是太陽能熱利用系統的理想候選儲熱材料之一。但固體儲熱材料(除金屬外)一般都具有較低的導熱系數，不利于儲熱和放熱過程，系統的儲熱效率對儲熱系統的整體設計和優化的依賴性很強。

目前基于潛熱儲熱的儲熱系統主要有兩種：雙箱儲熱系統和單箱儲熱系統。雙箱儲熱系統中有一個熱箱和一個冷箱，儲熱時冷箱內的儲熱介質(通常為液體介質)吸收熱量后被存儲在熱箱內，放熱時熱箱內的高溫介質把熱量釋放出來后再回到冷箱。雙箱儲熱系統結構簡單，技術成熟，但是由于具有兩個儲熱箱，儲熱介質也相應增加，導致系統儲熱成本較高。單箱儲熱系統只有一個儲熱箱，使用液體介質的單箱儲熱又稱為溫躍層儲熱，箱內的冷、熱流體通過一個厚度較小但溫度梯度很大的溫躍層(又稱為斜溫層)分隔開來，儲熱時溫躍層上面的熱流體逐漸增加，下面的冷流體逐漸減少，溫躍層向下移動，放熱時則相反。單箱溫躍層儲熱具有成本較低，儲熱效率較高的特點。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有儲熱系統的缺點，提供一種結構簡單、成本較低、性能穩定、儲熱和換熱效率高的單箱固體介質太陽能高溫儲熱系統。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：

本發明太陽能高溫儲熱系統采用固體儲熱材料，在儲放熱過程中具有溫躍層特性。本發明包括多個平板型的儲熱模塊，多個儲熱模塊平行層疊堆積，儲熱模塊之間相互絕熱。每個平板型固體儲熱模塊內有供換熱流體經過的管道，在管道和儲熱模塊之間的空間里填充有固體儲熱介質。每個儲熱模塊外側面都裝有一個與模塊內管道連通的換熱流體的進口管和出口管，進口管和出口管位于平板型模塊的同一側面外，即具有狹長形狀的表面外，或不同側面外。所有相鄰儲熱模塊的換熱流體管道的進口管和出口管按順序串聯連接，組成串聯布置的儲熱系統。儲熱系統工作時，換熱流體從儲熱系統進口閥門按串聯順序流經各個儲熱模塊內的管道，并且與儲熱模塊內固體儲熱介質交換熱量，最后從儲熱系統出口閥門流出，完成儲、放熱過程。

所述單個平板型儲熱模塊內的換熱流體管道按照多層分布、逆流布置的方式布置；每層管道布置方式可以包括多管平行流動方式、單管蛇形流動方式、多管蛇形流動方式等。所涉及的多層分布、逆流布置的管道布置方式，一方面是為了保證換熱流體和儲熱模塊內的固體儲熱介質最大程度的充分換熱，盡可能的減小換熱流體出口溫度與模塊平均溫度的差別，另一方面是為了保證換熱時模塊內的溫度分布盡量均勻。

所述平板型固體儲熱模塊的固體儲熱介質內可以嵌入強化傳熱單元。強化傳熱單元為使用具有高導熱系數的材料，比如金屬顆粒、鋼渣、銅渣等的顆粒狀單元或鋼片、銅片、鋁片等的片狀單元。使用顆粒狀單元時，通過摻混使顆粒均勻的分布在固體儲熱介質內；使用片狀單元時，片狀單元套接在管道外形成金屬翅片或肋片，并使其盡量均勻的分布在固體儲熱介質內。顆粒狀單元和片狀單元也可以同時使用。固體儲熱介質內嵌入強化傳熱單元是為了克服固體儲熱介質導熱系數低的缺點，進一步促進了儲熱介質與換熱流體的充分換熱、以及模塊內儲熱介質溫度的均勻分布。

所述平板型固體儲熱模塊外面包裹隔熱保溫層。隔熱保溫層一方面是為了避免儲熱模塊向環境的熱損失，更重要的是在模塊層疊堆積后避免模塊間的熱交換，實現模塊與模塊之間絕熱。這樣可以避免系統運行時溫度不相等的相鄰模塊間的熱混合，保證高溫模塊內的高品質熱量能夠得到最大限度的有效利用，提高了系統的儲熱效率。