CN102679563A

CN102679563A - 一种多功能太阳能蓄能系统及蓄能方法

Info

Publication number: CN102679563A
Application number: CN2012102056939A
Authority: CN
Inventors: 赖艳华; 董震; 吕明新
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-06-21
Also published as: CN102679563B

Abstract

本发明公开了一种太阳能集热蓄能系统，包括蓄能吸收器、控制阀、储液器；蓄能吸收器内设有集热换热器和气体通道，并装有固态反应物，储液器内设有蒸发冷凝换热器，并装有流态反应物液体，蓄能吸收器内的气体通道与控制阀连接，控制阀与储液器连接。本发明减少了太阳能蓄热过程的传热环节，提高太阳能存储效率，减少了有用功的损耗，又同时具有集热和无损蓄能等功能。

Description

一种多功能太阳能蓄能系统及蓄能方法

技术领域

本发明涉及太阳能蓄能技术领域，尤其涉及一种太阳能集热蓄能系统及蓄能方法。

背景技术

近年来，随着有限的化石燃料大量消耗，能源和环境问题已成为制约我国国民经济可持续发展的主要问题之一。太阳能资源具有总量大，分布广泛，使用清洁，不存在资源枯竭等优点，太阳能转化利用已成为全球可再生能源发展战略的重要组成部分。然而，在时间和强度上，太阳能的供应与需求并不协调。因此，如何将富余的太阳能有效储存并在需要的时间重新释放，成为太阳能利用领域的研究热点之一。

对于传统的太阳能蓄热过程，太阳光需先经吸收器转化为热能，热能再传递给换热流体，最终换热流体把热能传输到蓄热装置，传热环节过多。每次换热过程都会引起能量品质的下降及数量的损耗。为此，一些学者提出把相变蓄热材料和集热装置结合在一起的思路，如Fatah HES发表在《Renewable Energy》上的Thermal performance of a simple design solar air heater with built-in thermal energy storage system一文，提出相变蓄热材料填充的蓄热管替代集热装置直接蓄热，这种方法减少了太阳能蓄热过程的传热环节，但一方面集热装置不再具备直接输出热量的功能，另一方面相变材料蓄热后，与环境存在温度差，热量储存过程损失大，导致储能效率低下。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种吸附或气固化学反应蓄热装置与太阳能集热装置一体化的新型太阳能集热蓄热系统及蓄能方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能集热蓄能系统，包括蓄能吸收器、控制阀、储液器；蓄能吸收器内设有集热换热器和气体通道，并装有固态反应物，储液器内设有蒸发冷凝换热器，并装有流态反应物液体，蓄能吸收器内的气体通道与控制阀连接，控制阀与储液器连接。

所述固固态反应物可以是无机盐（BaCl₂、CaCl₂、SrCl₂、MgCl₂、NiCl₂、Na₂S、MgSO₄等）及其与水或氨形成的络合物、氧化物（CaO、MgO、BaO、PbO等）及其与水或二氧化碳形成的组合物、沸石、硅胶、活性炭、金属有机骨架材料和金属氢化物等，固态反应物也可添加一些石墨、金属粉末等导热系数高的材料，然后压制成型，达到强化换热的目的。

所述的流态反应物主要包括氨、二氧化碳、水和氢气等。

作为本发明的进一步改进，所述蓄能吸收器内还可以设有吸热面。

本发明所述的蓄能吸收器可以为腔式和真空集热管式两种，这两种蓄能吸收器是在原有太阳能吸收器形式上增添了固体反应物和气体通道部分，实现蓄能功能。其中腔式吸收器蓄能吸收器还需要设置反射面和保温材料。

本发明所述的集热换热器为普通换热器或热管换热器，实现热能的输出。

本发明所述的控制阀为节流阀，其开度范围为0～100%。

本发明的工作原理为：蓄能吸收器和蓄能材料的一体化设计，减少流体传热环节，并且吸附及气固反应蓄热技术把热能转化为吸附势能或化学能存储起来，可实现常温下无损存储，因而这种结合方法既减少了换热环节，又不会出现相变蓄热材料保温效果不好导致的能量损失。

所述的吸热材料为可实现太阳光转化为热能的部件，可在其与固态反应物接触面增加翅片，以强化传热。若为固态反应物为吸光材料，则吸热面可以不要，直接利用固态反应物转化太阳光为热能。

本发明所述的气体状态的流态反应物与固态反应物能发生可逆吸附或化学反应，其合成过程为放热过程，分解过程为吸热过程。

本发明所述的太阳能集热蓄能系统，运行一个周期依次经历集热充能、储能和放能三个阶段：

在集热充能阶段，太阳光被吸热面转换为热能，需要存储的热能加热固态反应物与流态反应物反应或吸附生成的物质，该物质分解出流态反应物气体，流态反应物气体进入储液器向蒸发冷凝换热器放热，冷凝为液体，剩余热能经集热换热器输出供热，这两部分热能的分配比例通过调节控制阀的开度来实现；

在储能阶段，控制阀开度为0，固态反应物与流态反应物被隔离开，能量以吸附势能或化学能方式存储，可以实现能量的无损存储。

在放能阶段，控制阀开度大于0，流态反应物从蒸发冷凝换热器吸热汽化，流态反应物气体与固态反应物进行吸附或化学反应，并向集热换热器放出热量，放热速率通过控制阀的开度调节。

在放能阶段，系统可以产生冷量或者热量。供冷模式运行，蒸发冷凝换热器中通入低温载冷剂，流态反应物蒸发制冷，流态反应物气体与固态反应物进行吸附或化学反应，释放出的常温热量经集热换热器排入环境；供热模式运行，流态反应物经蒸发冷凝换热器从环境吸热蒸发，流态反应物气体与固态反应物进行吸附或化学反应，释放出高于环境温度的热量，热量经集热换热器输出供热。

本发明的有益效果是：本发明减少了太阳能蓄热过程的传热环节，又同时具有集热和无损蓄能等功能。

附图说明

图1为太阳能集热蓄能系统的原理示意图。

图2为梯形腔式蓄能吸收器的剖面示意图。

图3为真空集热管式蓄能吸收器的剖面示意图。

图中：1为蓄能吸收器、2为控制阀、3为储液器、4为蒸发冷凝换热器、5为流态反应物、6为固态反应物、7为集热换热器、8为气体通道、9为玻璃罩、10为吸热面、11为反射面、12为保温材料。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

图1中，本实施例的太阳能集热蓄能系统，包括蓄能吸收器1、控制阀2、储液器3；图2中，蓄能吸收器1为梯形腔式，内设集热换热器7、气体通道8、玻璃罩9、吸热面10、反射面11和保温材料12，并装有固态反应物6，储液器3内设有蒸发冷凝换热器4，并装有流态反应物5液体，蓄能吸收器1内的气体通道8与控制阀2连接，控制阀2与储液器3连接。

本实施例中，固态反应物6为MgCl₂与石墨的混合物，流态反应物5为氨，采用聚光比为10的槽式聚光结构。

本实施例中，控制阀2为节流阀，其开度范围为0～100%。

本实施例中，太阳能集热蓄能系统运行一个周期依次经历集热充能、储能和放能三个阶段：

在集热充能阶段，太阳光被吸热面10转换为热能，需要存储的热能加热固态反应物6与流态反应物5反应或吸附生成的物质，该物质分解出流态反应物5气体，流态反应物5气体进入储液器3向蒸发冷凝换热器4放热，冷凝为液体，剩余热能经集热换热器7输出供热，这两部分热能的分配比例通过调节控制阀2的开度来实现；

在储能阶段，控制阀2开度为0，固态反应物6与流态反应物5被隔离开，能量以吸附势能或化学能方式存储；

在放能阶段，流态反应物5经蒸发冷凝换热器4从环境吸热蒸发，流态反应物5气体与固态反应物6进行吸附或化学反应，释放出高于环境温度的热量，热量经集热换热器7输出供热，放热速率通过控制阀2的开度调节。

本实施例中，蓄热能量密度大约为1500～2000KJ/Kg，放能温度约200℃。

实施例2：

图3中，本实施例的太阳能集热蓄能系统，包括蓄能吸收器1、控制阀2、储液器3；蓄能吸收器1为真空集热管式，内设集热换热器7、气体通道8、玻璃罩9和吸热面10，并装有固态反应物6，储液器3内设有蒸发冷凝换热器4，并装有流态反应物5液体，蓄能吸收器1内的气体通道8与控制阀2连接，控制阀2与储液器3连接。

本实施例中，固态反应物6为MgO，流态反应物5为水，采用聚光比为4的CPC聚光结构。

在放能阶段，蒸发冷凝换热器4中通入低温载冷剂，流态反应物5蒸发制冷，流态反应物5气体与固态反应物6进行吸附或化学反应，释放出的常温热量经集热换热器7排入环境；

本实施例其余过程与实施例1相同。

本实施例中，蓄冷能量密度大约为1000KJ/Kg，供冷温度约15℃。

实施例3：

本实施例的太阳能集热蓄能系统，包括蓄能吸收器1、控制阀2、储液器3；蓄能吸收器1为真空集热管式，内设集热换热器7、气体通道8和玻璃罩9，并装有固态反应物6，储液器3内设有蒸发冷凝换热器4，并装有流态反应物5液体，蓄能吸收器1内的气体通道8与控制阀2连接，控制阀2与储液器3连接。

本实施例中，固态反应物6为Na₂SO₄与石墨的混合物，流态反应物5为水，无聚光结构。

本实施例中，在集热充能阶段，太阳光被固态反应物6直接转换为热能。

本实施例其余过程与实施例2相同。

本实施例中，可以实现太阳能跨季节储存，把夏秋季节富裕的太阳能储存到冬季供暖，蓄热能量密度大约为2000KJ/Kg，供热温度约50℃。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种太阳能集热蓄能系统，其特征是，包括蓄能吸收器、控制阀、储液器；蓄能吸收器内设有集热换热器和气体通道，并装有固态反应物，储液器内设有蒸发冷凝换热器，并装有流态反应物液体，蓄能吸收器内的气体通道与控制阀连接，控制阀与储液器连接；

所述固态反应物是无机盐及其与水或氨形成的络合物、氧化物及其与水或二氧化碳形成的组合物、沸石、硅胶、活性炭、金属有机骨架材料、金属氢化物中的一种或几种；所述无机盐为BaCl₂、CaCl₂、SrCl₂、MgCl₂、NiCl₂、Na₂S、MgSO₄中的一种或几种；所述氧化物为CaO、MgO、BaO、PbO中的一种或几种；所述的流态反应物为氨、二氧化碳、水或氢气中的一种或几种。

2.如权利要求1所述的太阳能集热蓄能系统，其特征是，所述固态反应物还包括石墨、金属粉末中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的太阳能集热蓄能系统，其特征是，所述蓄能吸收器内还设有吸热面。

4.如权利要求1所述的太阳能集热蓄能系统，其特征是，所述蓄能吸收器为腔式，蓄能吸收器内还设有反射面和保温材料。

5. 如权利要求1所述的太阳能集热蓄能系统，其特征是，所述蓄能吸收器为真空集热管式。

6.如权利要求1所述的太阳能集热蓄能系统，其特征是，所述集热换热器为普通换热器或热管换热器。

7.一种太阳能集热蓄能方法，包括如下步骤：

在集热充能阶段，太阳光被吸热面转换为热能，需要存储的热能加热固态反应物与流态反应物反应或吸附生成的物质，该物质分解出流态反应物气体，流态反应物气体进入储液器向蒸发冷凝换热器放热，冷凝为液体，剩余热能经集热换热器输出供热；

在储能阶段，固态反应物与流态反应物被隔离开，能量以吸附势能或化学能方式存储，实现能量的无损存储；

在放能阶段，流态反应物从蒸发冷凝换热器吸热汽化，流态反应物气体与固态反应物进行吸附或化学反应，并向集热换热器放出热量；

在放能阶段，系统产生冷量或者热量；供冷模式运行，蒸发冷凝换热器中通入低温载冷剂，流态反应物蒸发制冷，流态反应物气体与固态反应物进行吸附或化学反应，释放出的常温热量经集热换热器排入环境；供热模式运行，流态反应物经蒸发冷凝换热器从环境吸热蒸发，流态反应物气体与固态反应物进行吸附或化学反应，释放出高于环境温度的热量，热量经集热换热器输出供热。

8.如权利要求7所述的太阳能集热蓄能方法，其特征是，所述热量的传递转换是调节控制阀来实现的。