CN101793447B - 冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能光热转化利用技术领域的冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，太阳能集热器、集热器传热流体调节阀、高温传热流体循环泵和反应器换热盘管循环相连，冷却塔、冷却塔传热流体调节阀、低温传热流体循环泵和储液器换热盘管循环相连，固气化学反应器、制冷剂调节阀和制冷剂储液器相连，反应器换热盘管、热用户端调节阀、热用户端和高温传热流体循环泵循环相连，储液器换热盘管、冷用户端调节阀、冷用户端和低温传热流体循环泵循环相连，储液器换热盘管、冷却塔、冷却塔传热流体调节阀和低温传热流体循环泵循环相连，制冷剂储液器、制冷剂调节阀和固气化学反应器相连。具有储能密度高可实现冷热联供及热量和冷量的同时储存。

Description

冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置

技术领域

本发明涉及的是一种太阳能光热转化利用技术领域的装置，尤其涉及的是一种冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置。

背景技术

太阳能是一种随时间而变化的低密度能源，具有间歇性、分散性及不稳定性的特点，为了实现太阳能的广泛应用，在提高太阳能收集效率、降低太阳能产业成本的同时，实施太阳能的高效能量储存技术是解决太阳能间歇性、不稳定性及能量供需时间差矛盾的必须手段。

目前，太阳能热能储存方法主要有显热储能和潜热储能两种形式，其中显热储能技术简单、运行管理方便，但储能密度较低致使贮热装置体积庞大，另外，采用显热式太阳能储能装置在能量释放过程中存在输出温度波动大的缺点。潜热储能采用相变材料实现能量储存，其储能密度较高，且储热、释热过程近似等温，易于系统运行匹配，但相变储能材料存在的过冷和析出现象一直是相变储能技术面临的难题，经多次加热冷却循环后，会出现严重的性能衰减现象，降低了相变材料的工作性能、缩短了使用寿命。另外，采用相变材料的潜热式太阳能储能装置，由于相变温度比较固定，同一种材料只能用于热量储存或制冷冷量储存，无法同时实现贮热、贮冷要求。

经对现有技术的文献检索，中国发明专利申请号：02109563.9，名称：太阳能蓄热供暖供冷方法及装置，该技术采用将太阳能热能储存于地下深层土壤来实现冬季和夏季的供暖和供冷，该装置包括：太阳能集热器及其连接的土壤换热器、热泵、供暖供冷设备及工作阀门部分，它可把太阳能集热器获得的热量通过土壤换热器蓄贮于土壤中，冬季时进行供暖，供暖结束后可再进行土壤蓄热以备冬季供暖，夏季用循环泵进行循环，通过土壤换热器取出土壤中蓄贮的冷量进行供冷。该装置利用土壤显热实现对太阳能的储存，属于显热储能方式，其储能密度较低。

目前尚无利用热化学吸附技术实现对太阳能热能和制冷冷量储存的复合储能装置的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，将传统显热式和潜热式太阳能能量储存方式进行了改进，本发明结构简单，无需与土壤进行换热，其供热、供冷不受外界季节的影响，具有更好的适应性，通过太阳能和化学吸附势能的相互转化可同时实现对太阳能热能和制冷冷量的高效储存和释放，克服了传统太阳能能量储存技术的不足，提高能量储存密度，实现贮热和贮冷复合储能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：太阳能集热器、集热器传热流体调节阀、高温传热流体循环泵、固气化学反应器、反应器换热盘管、化学吸附储能材料、制冷剂调节阀、制冷剂储液器、制冷剂、储液器换热盘管、低温传热流体循环泵、冷却塔传热流体调节阀、冷却塔、冷用户端调节阀、冷用户端、热用户端调节阀和热用户端，其中：太阳能集热器的出口和集热器传热流体调节阀的进口相连，集热器传热流体调节阀的出口和高温传热流体循环泵的进口相连，高温传热流体循环泵的出口和反应器换热盘管的进口相连，反应器换热盘管的出口和太阳能集热器的进口相连，冷却塔的出口和冷却塔传热流体调节阀的进口相连，冷却塔传热流体调节阀的出口和低温传热流体循环泵的进口相连，低温传热流体循环泵的出口和储液器换热盘管的进口相连，储液器换热盘管的出口和冷却塔的进口相连，固气化学反应器的出口和制冷剂调节阀的进口相连，制冷剂调节阀的出口和制冷剂储液器的进口相连，固气化学反应器内设有反应器换热盘管，化学吸附储能材料填装于固气化学反应器内，制冷剂填装于制冷剂储液器内，制冷剂储液器内设有储液器换热盘管，反应器换热盘管的出口和热用户端调节阀的进口相连，热用户端调节阀的出口和热用户端的进口相连，热用户端的出口和高温传热流体循环泵的进口相连，高温传热流体循环泵的出口和反应器换热盘管的进口相连，储液器换热盘管的出口和冷用户端调节阀的进口相连，冷用户端调节阀的出口和冷用户端的进口相连，冷用户端的出口和低温传热流体循环泵的进口相连，低温传热流体循环泵的出口和储液器换热盘管的进口相连，储液器换热盘管的出口和冷却塔的进口相连，冷却塔的出口和冷却塔传热流体调节阀的进口相连，冷却塔传热流体调节阀的出口和低温传热流体循环泵的进口相连，低温传热流体循环泵的出口和储液器换热盘管的进口相连，制冷剂储液器的出口和制冷剂调节阀的进口相连，制冷剂调节阀的出口和固气化学反应器的进口相连。

所述的制冷剂的流动方向是双向的，制冷剂在固气化学反应器、制冷剂调节阀和制冷剂储液器中双向流动。

本发明的工作流程由两个阶段组成：

第一个阶段，太阳能热能和制冷冷量储存阶段，利用太阳能集热器所获得的热量为固气化学反应器内化学吸附储能材料提供解吸热，使其发生化学分解反应实现太阳能热能向化学吸附势能的转化储存，解吸出的制冷剂蒸汽进入制冷剂储液器凝结成液体储存起来，释放的凝结热由冷却塔带走。该阶段利用固气化学分解反应阶段消耗的解吸热实现对太阳能热能和制冷冷量的转化储存。

第二个阶段，太阳能热能和制冷冷量释放阶段，固气化学反应器内化学吸附储能材料与制冷剂储液器内的制冷剂发生化学合成反应，利用制冷剂储液器内制冷剂在低温低压下发生蒸发相变向外界吸热实现对冷用户端制冷冷量的释放输出；利用固气化学反应器内化学吸附储能材料与制冷剂在化学合成反应阶段释放的大量吸附热实现对热用户端热能的释放输出，通过化学吸附势能向热能的转化释放可同时满足用户对冷量和热量的需求。

本发明相比现有技术具有以下优点：

第一，能量储存密度高。相对于传统的显热式和潜热式储能装置，本发明利用化学吸附势能实现能量的转化储存，其能量储存密度高，从而可减少设备体积，降低储能成本；

第二，储存能量损失小，易于长期储存。传统储能装置由于与外界环境有较大温差因而在能量储存过程中有较大的能量损失，而本发明采用热化学吸附储能技术，只要制冷剂与化学吸附储能材料相隔离不发生化学反应，能量就会一直储存并且不需要消耗能量去维持，因而便于长期储存；

第三，释能过程温度波动小。由于固气化学反应的单变量特性，在太阳能热能和制冷冷量释放阶段，能量输出温度波动小，近似为等温过程，易于系统运行匹配；

第四，实现贮热和贮冷的复合能量储存。对于传统的显热和潜热储能方式而言，同种储能材料只能储存一种能量，即冷量或者热量，而对于本装置，可以同时满足热量和冷量的储存和冷热联供，尤其适合两种能量需求的场合。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的热力循环图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：包括：太阳能集热器1、集热器传热流体调节阀2、高温传热流体循环泵3、固气化学反应器4、反应器换热盘管5、化学吸附储能材料6、制冷剂调节阀7、制冷剂储液器8、制冷剂9、储液器换热盘管10、低温传热流体循环泵11、冷却塔传热流体调节阀12、冷却塔13、冷用户端调节阀14、冷用户端15、热用户端调节阀16和热用户端17，其中：太阳能集热器1的出口和集热器传热流体调节阀2的进口相连，集热器传热流体调节阀2的出口和高温传热流体循环泵3的进口相连，高温传热流体循环泵3的出口和反应器换热盘管5的进口相连，反应器换热盘管5的出口和太阳能集热器1的进口相连，冷却塔13的出口和冷却塔传热流体调节阀12的进口相连，冷却塔传热流体调节阀12的出口和低温传热流体循环泵11的进口相连，低温传热流体循环泵11的出口和储液器换热盘管10的进口相连，储液器换热盘管10的出口和冷却塔13的进口相连，固气化学反应器4的出口和制冷剂调节阀7的进口相连，制冷剂调节阀7的出口和制冷剂储液器8的进口相连，固气化学反应器4内设有反应器换热盘管5，化学吸附储能材料6填装于固气化学反应器4内，制冷剂储液器8内设有储液器换热盘管10，液态的制冷剂9填装于制冷剂储液器8内，反应器换热盘管5的出口和热用户端调节阀16的进口相连，热用户端调节阀16的出口和热用户端17的进口相连，热用户端17的出口和高温传热流体循环泵3的进口相连，高温传热流体循环泵3的出口和反应器换热盘管5的进口相连，储液器换热盘管10的出口和冷用户端调节阀14的进口相连，冷用户端调节阀14的出口和冷用户端15的进口相连，冷用户端15的出口和低温传热流体循环泵11的进口相连，低温传热流体循环泵11的出口和储液器换热盘管10的进口相连，储液器换热盘管10的出口和冷却塔13的进口相连，冷却塔13的出口和冷却塔传热流体调节阀12的进口相连，冷却塔传热流体调节阀12的出口和低温传热流体循环泵11的进口相连，低温传热流体循环泵11的出口和储液器换热盘管10的进口相连，制冷剂储液器8的出口和制冷剂调节阀7的进口相连，制冷剂调节阀7的出口和固气化学反应器4的进口相连。

所述的制冷剂9的流动方向是双向的，在太阳能储能阶段，制冷剂9依次流经固气化学反应器4、制冷剂调节阀7和制冷剂储液器8；在太阳能释能阶段，制冷剂9依次流经制冷剂储液器8、制冷剂调节阀7和固气化学反应器4。

所述的太阳能集热器1、集热器传热流体调节阀2、高温传热流体循环泵3、反应器换热盘管5和太阳能集热器1依次相连，构成太阳能集热器1的传热流体流动环路。

所述的冷却塔13、冷却塔传热流体调节阀12、低温传热流体循环泵11、储液器换热盘管10和冷却塔13依次相连，构成冷却塔13的传热流体流动环路。

所述的反应器换热盘管5、热用户端调节阀16、热用户端17、高温传热流体循环泵3和反应器换热盘管5依次相连，构成了热用户端17的传热流体流动环路。

所述的储液器换热盘管10、冷用户端调节阀14、冷用户端15、低温传热流体循环泵11和储液器换热盘管10依次相连，构成了冷用户端15的传热流体流动环路。

所述的储液器换热盘管10、冷却塔13、冷却塔传热流体调节阀12、低温传热流体循环泵11和储液器换热盘管10依次相连，构成了冷却塔13的传热流体流动环路。

太阳能热能储能阶段，能量由太阳能集热器1向固气化学反应器4发生传递，通过太阳能热能转化为化学吸附势能实现能量储存。

在太阳能热能释能阶段，能量由固气化学反应器4向热用户端17发生传递，通过化学吸附势能转化为热能实现能量释放。

在太阳能制冷冷量释能阶段，通过固气化学反应器4内化学吸附储能材料6的吸附作用，使得制冷剂储液器8内的制冷剂9发生蒸发相变，能量由制冷剂储液器8向冷用户端15发生传递实现制冷冷量释放。

本实施例工作过程包括：太阳能热能和制冷冷量储存，太阳能热能和制冷冷量释放两个阶段，其中：

太阳能热能和制冷冷量储存时：开启集热器传热流体调节阀2，关闭热用户端调节阀16，开启冷却塔传热流体调节阀12，关闭冷用户端调节阀14。太阳能集热器1内传热流体吸收太阳能热量后升温变为高温传热流体，经高温传热流体循环泵3输送到反应器换热盘管5为固气化学反应器4内的化学吸附储能材料6提供解吸热，当化学吸附储能材料6的温度加热到解吸温度时，开启制冷剂调节阀7，从固气化学反应器4解吸出的制冷剂9蒸汽经制冷剂调节阀7流入制冷剂储液器8内发生凝结，释放的凝结热通过储液器换热盘管10由来自冷却塔13的传热流体排入外界环境介质(空气和水)，凝结成液态的制冷剂9储存起来，从而实现太阳能热能向化学吸附势能的转化储存。

太阳能热能和制冷冷量释放时：关闭集热器传热流体调节阀2，开启热用户端调节阀16，该阶段制冷剂9从制冷剂储液器8流经制冷剂调节阀7流入固气化学反应器4内被化学吸附储能材料6所吸附。当用于满足冷用户端15的冷量需求时，关闭冷却塔传热流体调节阀12，开启冷用户端调节阀14，此时装置工作压力为Pe，利用固气化学反应器4内化学吸附储能材料6的吸附作用，使制冷剂9在低温低压下发生相变向外界吸热，从而使得储液器换热盘管10内的传热流体在制冷剂9的蒸发相变作用下被冷却降温变为低温流体，然后流经传热流体调节阀流入冷用户端15满足供冷需求，此为太阳能制冷冷量的释放阶段；

当用于满足热用户端17的热量需求时，关闭冷用户端调节阀14，开启冷却塔传热流体调节阀12，此时装置工作压力为Pc，该阶段制冷剂储液器8内制冷剂9在蒸发相变过程中消耗的蒸发潜热通过储液器换热盘管10由来自冷却塔13的环境介质(水和空气)传热流体提供，蒸发的制冷剂9蒸汽经制冷剂调节阀7流入固气化学反应器4并与化学吸附储能材料6发生化学合成反应释放出大量吸附热，从而使得反应器热换热盘管内传热流体在吸附热的加热作用下升温变为高温流体，然后流经传热流体调节阀流入热用户端17满足供热需求，通过化学吸附势能转化为热能实现能量释放，此为太阳能热能的释放阶段。

如图2所示，Pc是太阳能热能储存/释放阶段的工作压力，Pe是太阳能制冷冷量释放阶段的工作压力，Te是冷用户端15太阳能制冷温度，Tc是储能阶段的冷凝温度，Ta是储能材料的吸附温度，Tsolar为太阳能热能储存阶段的集热器传热流体温度或太阳能热能释放阶段的热用户端17供热温度，本实施例中，太阳能热能和制冷冷量储存时，热力循环过程为B-C-D，工作压力为Pc，储存过程的冷凝温度为Tc，储存过程的集热器传热流体温度为Tsolar，该阶段利用太阳能集热器1获得的热量为固气化学反应器4内化学吸附储能材料6提供解吸热，实现太阳能热能向化学吸附势能的转化储存；

太阳能制冷冷量释放时，热力循环过程为D-A-B，工作压力为Pe，释放过程的吸附温度为Ta，释放过程的冷用户端15的太阳能制冷温度为Te，该阶段利用固-气化学反应器内化学吸附储能材料6的吸附作用，使得制冷剂储液器8内制冷剂9在低温低压下发生相变向外界吸热实现对冷用户端15的冷量需求；

太阳能热能释放时，热力循环过程为D-C，工作压力为Pc，释放过程的蒸发温度为Tc，释放过程的热用户端17的供热温度为Tsolar，该阶段利用固气化学反应器4内化学吸附储能材料6与制冷剂9在化学合成反应阶段释放的大量吸附热实现对热用户端17的热量需求，通过化学吸附势能转化为热能实现能量释放。该过程D-C与传统吸附制冷装置的吸附热回收过程A-B完全不同，本装置输出的吸附热释放温度Tsolar远高于传统吸附装置的吸附热释放温度Ta。

Claims (6)

1.一种冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，包括：太阳能集热器和集热器传热流体调节阀，其特征在于，还包括：高温传热流体循环泵、固气化学反应器、反应器换热盘管、化学吸附储能材料、制冷剂调节阀、制冷剂储液器、制冷剂、储液器换热盘管、低温传热流体循环泵、冷却塔传热流体调节阀、冷却塔、冷用户端调节阀、冷用户端、热用户端调节阀和热用户端，其中：太阳能集热器的出口和集热器传热流体调节阀的进口相连，集热器传热流体调节阀的出口和高温传热流体循环泵的进口相连，高温传热流体循环泵的出口和反应器换热盘管的进口相连，反应器换热盘管的出口和太阳能集热器的进口相连，冷却塔的出口和冷却塔传热流体调节阀的进口相连，冷却塔传热流体调节阀的出口和低温传热流体循环泵的进口相连，低温传热流体循环泵的出口和储液器换热盘管的进口相连，储液器换热盘管的出口和冷却塔的进口相连，固气化学反应器的出口和制冷剂调节阀的进口相连，制冷剂调节阀的出口和制冷剂储液器的进口相连，固气化学反应器内设有反应器换热盘管，化学吸附储能材料填装于固气化学反应器内，制冷剂填装于制冷剂储液器内，制冷剂储液器内设有储液器换热盘管，反应器换热盘管的出口和热用户端调节阀的进口相连，热用户端调节阀的出口和热用户端的进口相连，热用户端的出口和高温传热流体循环泵的进口相连，高温传热流体循环泵的出口和反应器换热盘管的进口相连，储液器换热盘管的出口和冷用户端调节阀的进口相连，冷用户端调节阀的出口和冷用户端的进口相连，冷用户端的出口和低温传热流体循环泵的进口相连，低温传热流体循环泵的出口和储液器换热盘管的进口相连，储液器换热盘管的出口和冷却塔的进口相连，冷却塔的出口和冷却塔传热流体调节阀的进口相连，冷却塔传热流体调节阀的出口和低温传热流体循环泵的进口相连，低温传热流体循环泵的出口和储液器换热盘管的进口相连，制冷剂储液器的出口和制冷剂调节阀的进口相连，制冷剂调节阀的出口和固气化学反应器的进口相连。

2.根据权利要求1所述的冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，其特征是，所述的太阳能集热器、集热器传热流体调节阀、高温传热流体循环泵、反应器换热盘管和太阳能集热器依次相连，构成太阳能集热器的传热流体流动环路。

3.根据权利要求1所述的冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，其特征是，所述的冷却塔、冷却塔传热流体调节阀、低温传热流体循环泵、储液器换热盘管和冷却塔依次相连，构成冷却塔的传热流体流动环路。

4.根据权利要求1所述的冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，其特征是，所述的反应器换热盘管、热用户端调节阀、热用户端、高温传热流体循环泵和反应器换热盘管依次相连，构成了热用户端的传热流体流动环路。

5.根据权利要求1所述的冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，其特征是，所述的储液器换热盘管、冷用户端调节阀、冷用户端、低温传热流体循环泵和储液器换热盘管依次相连，构成了冷用户端的传热流体流动环路。

6.根据权利要求1所述的冷热联供的太阳能热化学吸附复合储能装置，其特征是，所述的固气化学反应器、制冷剂调节阀和制冷剂储液器依次相连，构成了制冷剂双向流动的环路。

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