固体储热介质太阳能高温储热系统的制作方法

专利名称：固体储热介质太阳能高温储热系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能高温储热系统，尤其涉及一种储热材料为固体的太阳能高温储 热系统。
背景技术：
太阳能热发电系统的运行受到强烈不稳定的太阳光照的影响和制约，具有强烈的 间歇性。为了克服这一困难，太阳能热发电系统中一般带有储热系统。储热系统可将白天的 太阳辐照转换为热量储存起来，在太阳辐射不足或无太阳辐照时再把热量释放出来发电。 储热系统的引入不仅可以对太阳能“移峰填谷”以延长系统发电时间，而且可以有效地稳定 系统运行和提高系统发电效率。目前储热系统的研究主要集中在储热材料和储热方式的选 择、以及蓄热系统的整体优化上。
目前可选择的储热方式主要包括三种显热储热、潜热储热和化学能储热。其中显 热储热技术简单成熟，成本较低，在太阳能热发电中应用最广。太阳能热发电中显热储热的 储热材料包括液体材料(如熔盐和导热油等)和固体材料(如铸铁、铁矿石、沙土岩石、高 温混凝土等)。熔盐具有较强的腐蚀性和较高的凝固温度，对储热系统的管道材料选择和附 属设施的设计要求较高。导热油由于物性限制，无法做到高温存储，通常用于400°C以下，且 系统成本较高。固体储热材料如混凝土等，具有性能稳定、成本低、储热能力强等优点，是太 阳能热利用系统的理想候选储热材料之一。但固体储热材料(除金属外)一般都具有较低 的导热系数，不利于储热和放热过程，系统的储热效率对储热系统的整体设计和优化的依 赖性很强。
目前基于潜热储热的储热系统主要有两种双箱储热系统和单箱储热系统。双箱 储热系统中有一个热箱和一个冷箱，储热时冷箱内的储热介质(通常为液体介质)吸收热 量后被存储在热箱内，放热时热箱内的高温介质把热量释放出来后再回到冷箱。双箱储热 系统结构简单，技术成熟，但是由于具有两个储热箱，储热介质也相应增加，导致系统储热 成本较高。单箱储热系统只有一个储热箱，使用液体介质的单箱储热又称为温跃层储热，箱 内的冷、热流体通过一个厚度较小但温度梯度很大的温跃层(又称为斜温层)分隔开来，储 热时温跃层上面的热流体逐渐增加，下面的冷流体逐渐减少，温跃层向下移动，放热时则相 反。单箱温跃层储热具有成本较低，储热效率较高的特点。发明内容
本发明的主要目的在于克服现有储热系统的缺点，提供一种结构简单、成本较低、 性能稳定、储热和换热效率高的单箱固体介质太阳能高温储热系统。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是
本发明太阳能高温储热系统采用固体储热材料，在储放热过程中具有温跃层特 性。本发明包括多个平板型的储热模块，多个储热模块平行层叠堆积，储热模块之间相互绝 热。每个平板型固体储热模块内有供换热流体经过的管道，在管道和储热模块之间的空间里填充有固体储热介质。每个储热模块外侧面都装有一个与模块内管道连通的换热流体的 进口管和出口管，进口管和出口管位于平板型模块的同一侧面外，即具有狭长形状的表面 外，或不同侧面外。所有相邻储热模块的换热流体管道的进口管和出口管按顺序串联连接， 组成串联布置的储热系统。储热系统工作时，换热流体从储热系统进口阀门按串联顺序流 经各个储热模块内的管道，并且与储热模块内固体储热介质交换热量，最后从储热系统出 口阀门流出，完成储、放热过程。
所述单个平板型储热模块内的换热流体管道按照多层分布、逆流布置的方式布 置；每层管道布置方式可以包括多管平行流动方式、单管蛇形流动方式、多管蛇形流动方式 等。所涉及的多层分布、逆流布置的管道布置方式，一方面是为了保证换热流体和储热模块 内的固体储热介质最大程度的充分换热，尽可能的减小换热流体出口温度与模块平均温度 的差别，另一方面是为了保证换热时模块内的温度分布尽量均勻。
所述平板型固体储热模块的固体储热介质内可以嵌入强化传热单元。强化传热单 元为使用具有高导热系数的材料，比如金属颗粒、钢渣、铜渣等的颗粒状单元或钢片、铜片、 铝片等的片状单元。使用颗粒状单元时，通过掺混使颗粒均勻的分布在固体储热介质内；使 用片状单元时，片状单元套接在管道外形成金属翅片或肋片，并使其尽量均勻的分布在固 体储热介质内。颗粒状单元和片状单元也可以同时使用。固体储热介质内嵌入强化传热单 元是为了克服固体储热介质导热系数低的缺点，进一步促进了储热介质与换热流体的充分 换热、以及模块内储热介质温度的均勻分布。
所述平板型固体储热模块外面包裹隔热保温层。隔热保温层一方面是为了避免储 热模块向环境的热损失，更重要的是在模块层叠堆积后避免模块间的热交换，实现模块与 模块之间绝热。这样可以避免系统运行时温度不相等的相邻模块间的热混合，保证高温模 块内的高品质热量能够得到最大限度的有效利用，提高了系统的储热效率。
所述太阳能高温储热系统在储热和放热时具有温跃层储、放热特性，具体表现为 随着放热的进行，储热系统中流体上游侧的高温储热模块被逐渐冷却成与储热系统进口流 体温度相近的低温储热模块；由于换热流体流经储热模块时温度逐渐升高，导致存在数个 相邻储热模块，这些相邻储热模块的温度从低温向高温逐渐阶梯状过渡，这些储热模块的 温度分布类似于温跃层分布，可以称为温跃层模块区；换热流体经过温跃层模块区后温度 接近高温模块温度，失去换热功能，高温模块温度维持不变。这样，随着时间的推进，温跃层 模块区逐渐往下游方向移动，低温模块不断增加，高温模块不断减少，热量被换热流体不断 带出。储热过程则相反。
所述高温储热系统也可以布置多个与不同储热模块进、出口管连接的储热系统的 流体进口阀和出口阀。储热系统运行时每间隔一段时间后可以根据各模块的温度分布来选 择需要开启的唯一的进口阀和出口阀，以实现储热系统的换热流体进、出口尽量接近温跃 层模块区。这样，失去换热功能的流体可以不用流经温跃层模块区之外的低温模块区和高 温模块区，从而大大减少泵功，提高热发电效率。
所述平板型固体储热模块可以沿高度方向或水平方向平行层叠堆积，组成储热系 统。沿高度方向层叠堆积时，既有利于减小占地面积，又有利于在系统长时间不工作时利用 重力作用自动将换热流体排出储热系统。
所述平板型固体储热模块的固体储热介质可以是高温混凝土、沙石、陶瓷和金属等。流体管路的材质可以是金属也可以是非金属的，如水泥、陶瓷及高分子材料等。
所述换热流体可以是高温导热油、熔融盐、高压水及饱和或过热蒸汽等。
本发明太阳能高温储热系统在储热、放热时既可以使用相同的换热流体，也可以 使用不同的换热流体。当使用相同的换热流体时，所述储热系统中只有一套流体管路；储 热、放热使用不同的换热流体时，所述储热系统中安装两套并行的管路。每套管路都包括串 联连通的系统进口阀、储热模块进口管、储热模块内换热流体管道、储热模块出口管和系统 出口阀。
综上所述，本发明的优点在于
1、储热模块内通过布置多层分布、逆流布置的流体管道，同时固体储热介质内嵌 入强化传热单元，能够实现固体储热介质快速有效的储热和放热，并且模块内温度分布比 较均勻。
2、由于所述储热系统储热、放热过程具有温跃层特性，一方面有利于保障出口流 体参数稳定，另一方面使得除了温跃层模块区大小的储热单元内存储的热能不能完全有效 利用外，其它的热能都能得到有效释放利用，从而系统具有较高的储热效率。比如，当温跃 层模块区占系统总模块的10%时，系统的储热效率可以超过90%。
3、上述储热系统由模块化的储热模块组成，结构简单，加工和安装成本低。储热模 块为平板状，平行堆积后形成立体塔罐式储热系统，暴露面积小，热损失少，而且占地面积 小。
4、换热流体流经上述储热系统时，换热主要发生在温跃层模块区，由于温跃层模 块区内各模块储热介质的温度按阶梯状分布，使得储热模块与换热流体换热时的温度品质 较好的匹配较低温度的储热模块与较低温度的流体换热，较高温度的储热模块与较高温 度的流体换热。这样，系统的平均换热温差大大降低，换热过程(火用)损失少。
5、上述储热系统采用固体材料作为储热介质，充分利用了其储热容量大、成本低、 性能稳定等优点，同时避免了腐蚀和凝固冻结等问题。
基于上述优点，本发明涉及的储热、放热具有温跃层特性的固体介质高温储热系 统，在太阳能中高温热发电、及其它中高温热利用领域，具有显著的应用前景。此外，电站系 统中也可以并联使用两座或多座本发明涉及的储热系统，以满足更大的储热需求。


图1为本发明实施例1的储热系统结构示意图2a、图2b、图2c为本发明实施例1的储热模块内的不同流道布置方式示意图3为本发明实施例1的储热系统放热过程示意图4为本发明实施例2的储热系统结构示意图5为本发明实施例2的储热系统放热过程进出口阀门选择流程图中1储热系统流体进(出)口阀、2进口管、3储热模块内换热流体通道、4储 热模块内固体材料储热介质、5储热模块外包裹的隔热保温层、6出口管、7储热系统流体出 (进)口阀、St1时间点温跃层模块区温度分布、9t2时间点温跃层模块区温度分布、IOt3时 间点温跃层模块区温度分布、Ilt4时间点温跃层模块区温度分布、12t5时间点温跃层模块 区温度分布、13t6时间点温跃层模块区温度分布、14t7时间点温跃层模块区温度分布、15子系统测温装置。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明实施例1的储热系统是主要由N(N > 3)个平板型的固体储热 模块平行层叠堆积组成的塔罐式储热系统。每个平板型固体储热模块内填充固体材料储热 介质4，并在储热介质4内部布置换热流体通道3，模块外包裹隔热保温层5，保证相邻模块 之间绝热。每个储热模块外都有一个与储热模块内管道连通的换热流体的进口管2和出口 管6，进口管2和出口管6位于平板型模块的同一侧面外，即具有狭长形状的表面外。所有 相邻储热模块的换热流体进口、出口管按顺序串联连接，组成串联布置的储热系统。
本实施例在储热、放热过程中使用相同的换热流体。所述的储热系统储热时，高温 换热流体从储热系统进口阀1，通过储热模块N的流体进口管道首先进入模块N，并且与其 内部的固体储热介质交换热量，然后通过连通的模块N的出口管道和模块N-I的进口管道， 进入模块N-I进行换热。这样，换热流体依次流经串联连接的各储热模块，最后从与模块1 的出口管连接的储热系统出口阀7排出，完成换热流体与储热系统内的固体储热介质4的 热交换。储热系统放热时与储热过程类似，只是流体流动方向与储热系统储热时相反，储热 时的进口阀变成放热时的出口阀，储热时的出口阀变成放热时的进口阀。
为了实现本发明储热系统在储热、放热时具有温跃层特性，本发明主要采用下面 三个措施1、储热系统内层叠的储热模块数量尽可能多；2、通过隔热保温材料5，实现相邻 模块间互相绝热；3、换热流体流经储热模块时与固体储热介质4充分换热，且单个储热模 块内储热介质4的温度接近均勻分布。为了实现单个模块内换热流体与储热介质4的充分 换热且模块内温度均勻分布，一方面，固体储热介质4内可以嵌入强化传热单元，来有效提 高储热介质的导热系数，从而提高换热效率。强化传热单元使用具有高导热系数的材料，比 如金属颗粒、钢渣、铜渣等颗粒状单元或钢片、铜片、铝片等片状单元。使用颗粒状单元时， 通过掺混使颗粒均勻的分布在固体储热介质内；使用片状单元时，片状单元套接在管道外 形成金属翅片或肋片，并使其尽量均勻的分布在固体储热介质内。颗粒状单元和片状单元 也可以同时使用。另一方面，可以通过优化布置储热模块内的换热流体管道3，如下所述。
图2所示为本发明实施例1的储热模块内不同的流道布置方式。换热流体通过流 体进口管2和出口管6进出储热模块，并且通过储热模块内流道3的分配与储热模块内不 同区域的储热介质4进行热交换。本实施例中，储热模块内流道3按照两层分布、逆流布 置。从图h、b、c所示的三种流道布置方式可以看出，流体都是从储热模块左侧经过一层流 道的分配流到储热模块的右侧，然后拐入另一层的通道，重新回到储热模块的左侧。这种两 层分布、逆流布置的方式有利于储热模块内储热介质温度的均勻分布。图2同时示意了三 种不同的单层管道布置方式图加所示的多管平行流动方式，图2b所示的单管蛇形流动方 式，以及图2c所示的多管蛇形流动方式。其中图加所示的多管平行流动方式流动阻力最 小，换热效果相比最差；图2b所示的多管蛇形流动方式流动阻力最大，换热效果相比最好； 而图2c所示的多管蛇形流动方式的流动阻力和换热效果都介于上述两者之间。
为了更清楚地说明本发明的储热系统在储热、放热时的温跃层特性，图3给出了 本发明实施例1的储热系统放热过程示意图，本发明实施例1的储热过程与之类似。假定储热系统开始放热时所有储热模块都为温度为Ts的高温模块。温度为Iffi的低温流体由系统 进口阀1首先进入模块1，然后顺序流经各模块，最后从模块N排出。图3中示意了 t1; t2， t3，t4，t5，t6，t7七个时间顺序点的不同模块温度分布图，其中、< t2 < t3 < t4 < t5 < t6 < t7。储热系统从开始放热到运行至时间、8时，由于低温流体最先与模块1充分换热，使 得此时模块1温度下降最快，同时由于模块内优化通道和嵌入强化传热单元的结果，模块 内固体介质温度得以比较均勻的同时下降。流经模块1后，被加热流体进入模块2与模块 2进行充分换热，由于进入模块2的流体温度高于系统进口流体温度Iffi,与模块2的温差变 小，导致模块2温度的下降比模块1小。基于此，被加热流体在模块3的换热能力更小，模 块3的温度仅有比较小的下降，流经模块3后流体也被加热至接近1^的温度，使得高温模 块4及之后的模块基本没有被冷却，仍维持1^的温度。这样，储热系统内储热模块1-4的 温度从低温到高温呈明显的阶梯状分布。
储热系统放热至时间t29时，储热模块1-4继续被冷却从而温度继续下降，温度也 呈阶梯状分布。此时模块1已经接近Iffi的温度，而模块5的温度也开始下降。由于进入模 块6及其后模块的流体温度已经被加热至高温，模块6及其后模块仍然为高温模块。
储热系统放热至时间t310时，储热模块1和2已经被充分冷却，放热完毕变成温度 为Tis的低温模块，而模块3-7从低到高呈阶梯状温度分布，模块8及其后的模块仍然为高 温模块。温度在模块3-7内从低温到高温的阶梯状过渡分布类似于单箱液体储热系统的温 跃层分布，温度分布呈温跃层分布的模块区可以称为温跃层模块区，如图3所示，储热系统 中温跃层模块区占据约5个模块。这样，此时储热系统内存在三个区域温度为Iffi的放热 完毕的低温模块区模块1和2，温度呈阶梯状分布的正在放热的温跃层模块区模块3-7， 和温度为Ts的等待放热的高温模块区模块8-N。
系统放热至时间t4l 1时，低温模块区扩大到模块1-4，流体流入模块5才开始被有 效加热，而温跃层模块区后移至模块5-9，高温模块区缩减到模块10-N。这里需要指出的是 由于各相邻模块间绝热，温跃层模块区后移时基本保持相同的模块数，这对保证储热系统 的稳定、高效率运行很重要。
随着放热的继续进行，温跃层模块区继续往下游方向移动，低温模块不断增加，高 温模块不断减少，热量被换热流体不断带出。储热系统放热至时间t512时，高温模块区只 剩下两个模块模块N-I和N ；而放热至时间t613时，高温模块区消失，储热系统只剩下放 热完毕的低温模块区和正在放热的温跃层模块区。储热系统继续放热至t714时，温跃层继 续后移，此时最下游的模块N，也是系统的最高温模块，的温度有明显下降，储热系统出口的 换热流体温度已经低于设定的最低有效热利用温度，储热系统余下的热能不能被利用，放 热过程结束。
由此可见，放热过程结束时除了存储在温跃层模块模块N-3至N，的部分热量不 能被有效利用外，其它存储的热能都已经得到有效释放利用。本发明实施例1的储热系统 明显具有较高的储热效率，比如，当温跃层模块区包括5个储热模块而储热系统总共包括 50个模块时，储热系统的储热效率可以超过90%。
从图3所示的系统放热过程还可以看出换热流体流经低温模块时，由于温度一 致，没有热交换；换热流体经过温跃层模块区后被加热成高温流体，与其后的高温模块温度 一致，也没有热交换；热交换主要发生在温跃层模块区内。同时，温跃层模块区内各模块储热介质的温度从低到高呈梯度分布，低温流体进入温跃层后被不同温度的储热模块一级级 加热到高温流体，过程中较低温度的储热模块与较低温度的流体换热，较高温度的储热模 块与较高温度的流体换热。这样，流体与储热系统换热时的平均换热温差大大降低，换热过 程的(火用)损失较少。
图4给出了本发明实施例2的储热系统结构。与本发明实施例1的储热系统不同 的是，本发明实施例2的储热系统布置多个与不同储热模块进、出口管连接的系统流体进 口阀和出口阀。如图4所示，储热系统被划分成了 M(M > 3)个子系统，每个子系统由4个相 邻的储热模块组成。除了储热系统中所有模块内管道仍然通过进、出口管顺序连通组成串 联布置外，每个子系统都在最上游的模块的进口管上通过三通管道接入一个系统进口阀， 在最下游的模块的出口管上通过三通管道接入一个系统出口阀，同时在最下游的模块内安 装测温装置15测量储热介质的温度，作为本子系统的特征温度。各子系统的进口阀并联连 接，然后接入储热系统外的流体进口管；各子系统的出口阀并联连接，然后接入储热系统外 的流体出口管。储热系统运行时，每间隔一段时间，根据各子系统的特征温度来选择需要开 启的唯一的进口阀和出口阀同时关闭其它所有进、出口阀，使得储热系统的换热流体进、出 口尽量接近温跃层模块区，而不用流经没有热交换的低温模块区和高温模块区。下面以放 热过程为例，说明选择进口阀和出口阀的方法。吸热过程的阀门选择方法与之类似。
图5给出了本发明实施例2的储热系统放热过程进出口阀门选择流程。储热系统 开始运行时首先开启子系统1的进口阀和出口阀，关闭其它进口阀和出口阀。然后每间隔 一个时间段Δ Τ,就根据各子系统的特征温度重新选择需要开启的唯一的进口阀和出口阀， 使得进、出口阀门尽量接近温跃层模块区，直至系统运行结束时关闭所有进口阀和出口阀。 控制时需要定义一个稍高于低温Iffi的温度为临界温度TI1S MS，测温点低于此温度时表示本 模块放热完毕；另外需要定义一个稍低于高温Ts的温度为临界温度Tlisjm，测温点高于此 温度时表示本模块尚未开始放热。
如图5所示，每间隔一个时间段Δ T后，从第一个子系统开始，按串联顺序逐个检 验子系统的特征温度来选择进口阀和出口阀。选择进口阀时，当所有子系统的特征温度都 高于Ti1sjms时，说明不存在放热完毕的子系统，Jft时不需要更换进Π阀，继续进行下一个时 间段的放热。当子系统i的特征温度低于TI1S MS，而子系统i+Ι的特征温度高于Ti1sjms时， 说明子系统i及其前面子系统内的所有模块都放热完毕，变成低温模块，而子系统i+Ι内的 部分模块仍在放热，这样可以跳过子系统i及其前面的子系统，流体直接通过子系统i+Ι的 进口阀进入系统，即开启子系统i+Ι的进口阀，关闭原来进口阀。选择出口阀时，当所有子 系统的特征温度都高时，说明系统刚开始放热，温跃层模块区仍处在第一个子系统 内，此时不需要更换出口阀，继续进行下一个时间段放热。当子系统j的特征温度低于T11^ s，而子系统j+Ι的特征温度高于Tlisjm时，说明子系统j+Ι内有部分模块正在放热，同时有 部分模块仍然为高温模块，这样流体可以跳过子系统j+Ι之后的高温模块区，直接从子系 统j+Ι的出口阀离开系统，即开启子系统j+1的出口阀，关闭原来出口阀。
权利要求
1.一种固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储热系统包括多个平 板型储热模块，多个储热模块平行层叠堆积，相互之间绝热；所述的储热模块内有供换热流 体流动的管道，管道和储热模块之间的空间填充有固体储热介质；每个储热模块的外侧面 都装有一个与模块内管道连通的换热流体进口管和出口管；所有相邻储热模块的换热流体 的进口管和出口管串联连接，组成串联布置的储热系统。
2.根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储 热模块内的换热流体管道多层分布、逆流布置。
3.根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的固 体储热介质内嵌有强化传热单元。
4.根据权利要求1或3所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的 强化传热单元为颗粒状或片状；颗粒状的强化传热单元均勻掺混在固体储热介质内；片状 的强化传热单元套接在所述的换热流体管道外形成金属翅片或肋片。
5.根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储 热模块外面包裹隔热保温层。
6.根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储 热系统布置有多个分别与不同储热模块的进口管和出口管连接的系统进口阀和出口阀。
7.根据权利要求6所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储 热系统运行时每间隔一段时间根据各个储热模块的温度分布选择需要开启的系统进口阀 和出口阀，使所述的储热系统的换热流体进出口尽量接近温跃层模块区，跳过温跃层模块 区之外失去换热功能的低温模块区和高温模块区。
8.根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储 热系统使用相同的换热流体时，储热系统中只有一套管路，使用不同的换热流体时，储热系 统中安装两套并行的管路；每套管路均包括串联连通的系统进口阀、储热模块进口管、储热 模块内换热流体管道、储热模块出口管和系统出口阀。
全文摘要
一种固体储热介质太阳能高温储热系统，包括多个平板型储热模块，多个储热模块平行层叠堆积，相互之间绝热。储热模块内有供换热流体流动的管道，管道和储热模块之间的空间填充有固体储热介质。每个储热模块外有与模块内管道连通的换热流体进口管和出口管。所有相邻储热模块的换热流体的进口管和出口管串联连接，组成串联布置的储热系统。储热模块内的换热流体管道多层分布、逆流布置。所述的固体储热介质内嵌有强化传热单元。本发明可用于太阳能中高温热发电及其它中高温热利用领域。
文档编号F28D20/00GK102032823SQ20101056111
公开日2011年4月27日 申请日期2010年11月23日 优先权日2010年11月23日
发明者徐超, 李鑫, 王志峰, 白凤武 申请人:中国科学院电工研究所