CN103292486B - 太阳能热发电用单罐-双罐复合储热系统及储热方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能热发电用单罐-双罐复合储热系统及储热方法，包括单罐斜温层储热子系统、双罐储热子系统及连接管路和阀门等。单罐斜温层储热子系统包括一个罐内充满储热介质、外面包裹保温层的单罐斜温层储罐，储罐顶部和底部分别有开口通道，供流体进出储罐。双罐储热系统包括外面包裹保温层的冷、热流体储罐各一个，罐内分别存储冷流体和热流体并分别安装有冷流体泵和热流体泵，两个罐体都布置有一个流体进口管。本发明的工作模式包括白天无辐照波动连续充热，白天有辐照波动交替充、放热，辐照消失后连续放热，系统停机时及启动前辅助热量释放。

Description

太阳能热发电用单罐-双罐复合储热系统及储热方法

技术领域

本发明涉及一种集成单罐斜温层储热系统和双罐储热系统的高温储热系统。

背景技术

在太阳能热利用领域，尤其是太阳能热发电领域中，由于太阳辐照的强烈的不连续性和不稳定性，系统的运行也具有强烈的波动性和间歇性。为保证太阳能热利用系统稳定运行，弥补能源的供应和需求之间存在的数量上、形态上、时间和空间上的差异，太阳能热利用系统中一般都带有储热系统。储热系统可将白天的太阳辐照转换为热量储存起来，在没有太阳辐照时再把热量释放出来利用。尤其对于太阳能热发电系统，储热系统的引入不仅可以解决太阳能的可用性与电力需求不匹配的矛盾，对太阳能“移峰填谷”以延长系统发电时间，优化使用可再生能源和提高太阳能在能量利用中的份额和能源效率，而且可以有效地稳定系统运行和提高系统发电效率。

目前太阳能热利用领域中可以选择的储热方式主要包括三种：显热储热、相变潜热储热和化学能储热。其中相变储热技术由于固液相变换热器的设计复杂和相变材料通常具有的低导热率及成本问题导致实际应用进展不大，而化学能储热技术的应用同样存在技术和工艺太复杂、技术不成熟等缺点，在大规模的应用之前，还有许多问题需要解决。而显热储热技术是原理简单、技术成熟、材料来源丰富、成本低廉的一种储热方式，在太阳能热利用中应用最广。显热储热按照储热介质的不同可以包括液体显热储热、固体显热储热、液-固联合显热储热（如斜温层储热）等。

在太阳能热发电领域，基于显热储热的储热系统主要有两种：双罐储热系统和单罐储热系统。双罐储热系统中有一个热罐和一个冷罐，储热时通过泵将冷罐内的液体介质抽出，在其吸收热量后将之存储在热罐内，放热时通过泵将热罐内的高温介质抽出，在其释放热量后将之泵回冷罐。双罐储热系统结构简单，技术成熟，但是由于具有两个储热罐，储热介质也相应增加，系统储热成本较高。

单罐储热系统只有一个储热罐。放热时高温储热工质在罐的顶部被高温泵抽出，经过换热器放热冷却后，由罐底部进入罐内；充热时低温储热工质在罐的底部被低温泵抽出，经过换热器加热后，由罐的顶部进入罐内。这样，冷、热流体同时被存储在一个罐内。由于高低温度的液体介质的密度不同，单罐内的冷、热流体间会形成一个厚度较小但温度梯度很大的斜温层（又称为温跃层），斜温层的存在将冷、热流体分隔开来，所以单罐储热系统又可以成为斜温层储热系统。储热时斜温层上面的热流体逐渐增加，下面的冷流体逐渐减少，斜温层向下移动，放热时则相反，抽出的储热工质能够保持恒温。单罐斜温层储热系统具有成本较低的优点。

美国专利US4124061记载了一种使用液体-固体混合储热的单罐斜温层储热系统，其特征在于储热罐内填充固体颗粒作为固体储热介质，换热流体（在罐内亦作为储热流体）上下流经固体颗粒填充层，与固体颗粒做直接热交换，且系统运行时罐内温度分布从上往下呈斜温层特征。此系统有机结合了液体良好的热传输性能与固体储热的低成本优点，进一步降低了储热成本。但是，此系统运行时斜温层厚度会逐渐增大，而且局部紊流引起的斜温层扩张（即高、低温流体的混合）很难抑制，导致系统稳定运行调控困难，这也是液体-固体混合单罐斜温层储热系统具有的通病。

为了避免斜温层储热系统运行时冷、热流体的混合导致的系统效率降低，一些专利设计中引入了主动式或被动式的水平隔板或竖直隔板，比如美国专利US4523629，US4543978，US4643212，US20100301062A1，中国专利CN201184766Y等。此类系统运行时隔板随着冷热流体的进出而主动或被动的移动，直接将冷、热流体分隔开来，避免了冷热流体的直接接触，储热效率较高，但是结构比较复杂，成本较高，而且只能使用液体作为换热和储热介质，不能引入低成本的固体储热介质，也不适用于使用气体作为换热流体和使用固体作为储热介质的储热系统。

但是，上述在单罐斜温层储热系统上改进的系统都是基于在一个充放热循环内对斜温层退化扩张的抑制，并不能有效避免由于环境散热和各种局部紊流下导致的斜温层扩张、效率逐渐下降、运行不稳定等缺点。尤其在应对复杂辐照波动时，单罐储热系统运行不够灵活和方便，频繁充放热切换更是加剧了进出口的局部紊流，导致了斜温层的加速扩张，进而使得系统运行更不稳定。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述现有的太阳能热发电储热系统的缺点，针对大容量储热和应对复杂辐照波动需求提供一种储热能力较高、成本较低、性能稳定的太阳能热发电用储热系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明单罐-双罐复合储热系统包括单罐斜温层储热子系统、双罐储热子系统及连接管路，单罐斜温层储罐通过连接管路与双罐储热子系统连接。

所述的单罐斜温层储热子系统至少包括一个外面包裹保温层的单罐斜温层储罐，储罐内充满储热介质。储罐顶部和底部分别有一个开口通道，供流体进出储罐，并通过连接管路与双罐储热子系统、吸热装置和放热装置相连。所述的双罐储热子系统至少包括外面包裹保温层的冷流体和热流体储罐各一个，储罐内分别存储冷流体和热流体，并分别安装有冷流体泵和热流体泵，用来提供流体流出罐体并在系统内流动的动力。两个罐体都布置有一个流体进口管，供流体进入罐体。双罐储热子系统通过管路与单罐储热子系统、吸热装置和放热装置相连，双罐储热子系统与之连接的部位包括冷流体和热流体储罐上布置的冷流体泵和热流体泵的出口，以及流体进口管接口。

所述的吸热装置上有吸热装置进口和吸热装置出口，吸热装置出口位于吸热装置的上部，吸热装置进口位于吸热装置的下部。所述的放热装置上有放热装置进口和放热装置出口，放热装置进口和放热装置出口分别位于放热装置的上部和下部。

所述单罐-双罐复合储热系统与吸热装置和放热装置具体的连接方式为：单罐斜温层储罐顶部的上开口通道通过管路分别与吸热装置出口、双罐储热子系统的热流体储罐的流体进口管、放热装置进口连接；单罐斜温层储罐底部的下开口通道通过管路分别与双罐储热子系统的冷流体储罐的流体进口管、冷流体泵出口、热流体储罐的流体进口管连接。双罐储热子系统热流体储罐的流体进口管与单罐斜温层储罐的下开口通道和上开口通道、及吸热装置出口连接；双罐储热子系统热流体泵出口与放热装置进口连接；双罐储热子系统冷流体储罐的流体进口管与放热装置出口和单罐斜温层储罐的下开口通道连接；双罐储热子系统的冷流体泵出口与吸热装置进口和单罐斜温层储罐的下开口通道连接。

所述的单罐斜温层储热子系统和双罐储热子系统共用一套热流体泵和冷流体泵，通过控制流体泵和连接管路上安装的阀门可以实现不同的充、放热运行功能。

所述单罐斜温层储罐用来存储过量辐射产生的热能，并在辐射不足或无辐照时释放热量来产生动力系统所需的蒸汽，承担基础热负荷，其体积一般比热流体储罐和冷流体储罐的体积大。

所述单罐斜温层储热子系统在储热、放热过程中具有斜温层特性，具体表现为：随着放热的进行，冷流体从罐底部下开口通道进入单罐斜温层储罐，沿着罐高方向向上流动并与逐渐将罐内的热流体从上开口通道推出储罐，进行放热。在冷热流体接触的部分，由于导热的存在，存在一个从低温向高温逐渐过渡的过渡区，这个区域可以称为斜温层区域。随着时间的推进，斜温层区域逐渐往下游方向移动，低温流体区不断增加，高温流体区不断减少，热量随着高温流体的排出而得以释放。储热过程则相反。

所述斜温层储热子系统既可以为纯液体储热系统，也可以为液体-固体混合储热系统。当斜温层储热子系统为纯液体储热系统时，储热介质为换热流体，可以是高温导热油、熔融盐等液体。当斜温层储热子系统为液体-固体混合储热系统时，单罐斜温层储罐内填充有颗粒状或多孔材料的固体介质，所述的颗粒状或多孔材料的固体介质包括固体介质和填充在固体介质缝隙空间内的换热流体。换热流体为高温导热油或熔融盐，固体储热介质为沙石或陶瓷或混凝土或金属材料等。

所述双罐储热子系统的主要作用包括：存储少量过量辐照产生的热能，并在云遮等短时间太阳辐照不足时提供热能；存储单罐斜温层储热子系统完成设定放热过程后的深度放热部分热能，用来提供产生辅助蒸汽所需热能或维持放热系统、管路等保持高温所需热能；对单罐斜温层储热子系统起缓冲和调节作用；完善储热系统的运行功能和灵活性等。

所述吸热装置可以是直接吸收辐射的塔式或槽式吸热器，也可以是吸热工质-储热工质换热器等；放热装置可以是储热工质-水蒸气发生器，也可以是吸热工质-储热工质换热器等。当吸热装置和放热装置都是吸热工质-储热工质换热器时，吸热装置和放热装置可以是同一套换热器，此时通过改变吸热工质和储热工质在换热器内的流动方向来实现吸热和放热的功能转换。

采用上述单罐-双罐复合储热系统实现的单罐-双罐复合储热方法，其特征在于包括下述模式：

（1）白天无辐照波动连续充热。在白天辐照一直充足时可以进行连续充热过程。每天最初启动充热过程时，单罐斜温层储罐内的储热介质处于低温状态，热流体储罐内热流体排空，冷流体储罐内充满冷流体。充热开始后首先向所述的热流体储罐充热。此时来自于冷流体储罐的低温流体经过吸热装置吸热后变成热流体，然后进入热流体储罐，直到将其充满或充到设定容量。热流体储罐充热完毕后，开始对单罐斜温层储罐进行充热。此时来自于冷流体储罐的冷流体经过吸热装置吸热后变成热流体，然后从单罐斜温层储罐顶部的上开口通道进入单罐斜温层储罐，同时，从单罐斜温层储罐底部的下开口通道流出的冷流体进入冷流体储罐，形成充热回路。在单罐斜温层储罐充热的最后阶段，经底部下开口通道流出的流体的温度逐渐上升，此时如果热流体储罐尚未充满，将从斜温层储罐底部的下开口通道流出的的流体充进热流体储罐。

（2）白天有辐照波动交替充、放热。白天的充热过程的优先顺序是先充双罐储热子系统的热流体储罐，然后再充单罐斜温层储罐。当中间有云遮等短时间辐照不足，单罐-双罐复合储热系统可能需要短时间放热。辐照不足发生时如果正在对热流体储罐进行充热，仍未开始对单罐斜温层储罐进行充热，此时对热流体储罐以小流量持续充热或者停止充热，同时开启热流体泵将热流体储罐内的热流体泵出进行放热来维持系统的稳定、持续运行。放热完毕后产生的冷流体进入冷流体储罐。当辐照不足发生时，如果热流体储罐已经充热完毕而正在对单罐斜温层储罐充热，此时对单罐斜温层储罐以小流量持续充热或者停止充热，同时开启热流体泵将热流体储罐内的热流体泵出进行放热来维持系统运行，放热完毕后产生的冷流体进入冷流体储罐。如果云遮等恶劣辐照延续时间较长，热流体储罐放热完毕后可以继续对单罐斜温层储罐进行放热。

当辐照波动消失、辐照又变充足后，停止放热而重新开启充热过程。此时仍然需要先对热流体储罐进行充热，待其充热完毕后再对单罐斜温层储罐充热。

（3）辐照消失后连续放热。在连续辐照不足时间较长或者夜晚无辐照时，储热系统进行连续放热，此时首先对热流体储罐放热。来自于热流体储罐的热流体经过放热装置释放热量后变成低温流体，然后进入冷流体储罐，直到热流体储罐放热完毕。热流体储罐放热完毕后，开始对单罐斜温层储罐进行放热。此时来自冷流体储罐的冷流体从单罐斜温层储罐底部的下开口通道进入罐内放热，从单罐斜温层储罐的顶部上开口通道流出的热流体经过放热装置释放热量后变成低温流体，重新进入冷流体罐，形成放热回路。

在单罐斜温层储罐放热的最后阶段，经顶部的上开口通道流出的流体的温度逐渐下降。当出口温度下降到设定出口阈值以下后，流体不能通过放热装置继续发电，发电结束，但可以对单罐斜温层储罐继续进行深度放热。此时不再使从罐体顶部的上开口通道流出的较高温度的流体流经放热装置，而是使其充进热流体储罐。此时存储在热流体储罐内的较高温度的流体可以作为夜间设备保温、产生辅助蒸汽等所需的辅助热源。这样可以实现温度梯级利用，减小不可逆损失。

（4）系统停机时及启动前辅助热量释放。在夜间发电系统停止运行时，需要较高温度的流体以低流量连续流经放热装置等设备来维持设备的温度，直到第二天系统启动。系统启动时也可能需要少量的较高温度流体来产生启动所需要的辅助蒸汽。这可以通过对单罐斜温层储罐深度放热后存储在热流体储罐内的较高温度的流体进行放热来实现。此时热流体储罐内的较高温度的流体流经放热设备，维持设备温度或产生辅助蒸汽，释放热量后变成冷流体进入冷流体储罐。

综上所述，本发明的优点在于：

1）所述单罐斜温层储热子系统承担大部分的储热容量，可以有效利用单罐斜温层储热技术的成本优势，而耦合双罐储热子系统，增大储热量同时共用冷热流体泵及管路设备，从而降低储热成本。

2）所述双罐储热子系统承担小部分的储热容量，主要作为缓冲系统应对白天日照波动，避免了对单罐斜温层储罐频繁充、放热切换操作而加剧斜温层膨胀和扩张的缺点，有效减小斜温层的退化，提高储热效率和系统灵活性。

3）所述单罐-双罐复合储热系统将单罐斜温层储罐在完成设定出口阈值放热后继续深度放热，这部分低于阈值温度的热流体存储在热流体储罐中，这样不仅减少了留在单罐斜温层储罐中导致这部分热流体与低温流体逐渐混合品质降低的影响，提高单罐斜温层储罐的储热能力，而且还实现了温度梯级利用，提高系统的热利用效率，减小了不可逆损失。

4）所述单罐-双罐复合储热系统适用范围广，可通过采用不同的操作策略来应对复杂辐照波动；可用于多种采用液体做传热介质的槽式或塔式等太阳能热发电系统。

基于上述优点，本发明涉及的单罐-双罐复合储热系统，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。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构和工作流程示意图。

图中：1单罐斜温层储罐、2单罐斜温层储罐内储热介质、3热流体储罐、4热流体储罐内存储的高温流体、5冷流体储罐、6冷流体储罐内存储的低温流体、7吸热装置、8放热装置、9冷流体泵、10热流体泵、11热流体储罐流体进口管、12冷流体储罐流体进口管、13-25阀门、26吸热装置进口、27吸热装置出口、28单罐斜温层储罐顶部开口通道、29单罐斜温层储罐底部开口通道、30热流体泵出口、31冷流体泵出口、32放热装置进口、33放热装置出口。

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。

图1为本发明实施例1的单罐-双罐复合储热系统的结构和工作流程示意图。如图1所示，该单罐-双罐复合储热系统包括单罐斜温层储热子系统、双罐储热子系统及连接管路和阀门等。所述的单罐斜温层储热子系统至少包括一个外面包裹保温层的单罐斜温层储罐1，单罐斜温层储罐1内充满储热介质2。单罐斜温层储罐1的顶部有上开口通道28，底部有下开口通道29，供流体进出储罐1。上开口通道28和下开口通道29通过连接管路分别与双罐储热子系统、吸热装置7和放热装置8相连。

所述的双罐储热子系统至少包括一个冷流体储罐5和一个热流体储罐3，冷流体储罐5和一个热流体储罐3的外面都包裹有保温层，冷流体储罐5内部存储冷流体6，热流体储罐3的内部存储热流体4。冷流体储罐5和热流体储罐3内都分别安装有冷流体泵9和热流体泵10，用来提供流体流出罐体并在系统内流动的动力。热流体储罐3的罐体布置有热流体储罐流体进口管11，冷流体储罐5的罐体布置有冷流体储罐流体进口管12，供流体进入罐体。双罐储热子系统通过管路与单罐储热子系统、吸热装置7和放热装置8相连，双罐储热子系统通过冷流体泵的出口31和冷流体储罐流体进口管11连接单罐储热子系统和吸热装置7，通过热流体泵的出口30和冷流体储罐流体进口管12连接放热装置8。所述的吸热装置7上有吸热装置进口26和吸热装置出口27，吸热装置出口27位于吸热装置7的上部，吸热装置进口26位于吸热装置7的下部。所述的放热装置8上有放热装置进口32和放热装置出口33，放热装置进口32和放热装置出口33分别位于放热装置8的上部和下部。

所述单罐-双罐复合储热系统与吸热装置7和放热装置8具体的连接方式为：单罐斜温层储罐1顶部的上开口通道28通过管路分别与吸热装置出口27、热流体储罐的流体进口管11、放热装置进口32连接。单罐斜温层储罐1的下开口通道29通过管路分别与冷流体储罐流体进口管12、冷流体泵出口31、热流体储罐流体进口管11连接；热流体储罐流体进口管11与单罐斜温层储罐1的下开口通道29和上开口通道28，以及吸热装置出口27连接；热流体泵出口30与放热装置进口32连接；冷流体储罐流体进口管12与放热装置出口33和单罐斜温层储罐1的下开口通道29连接；冷流体泵出口31通过管路分别与吸热装置进口26和单罐斜温层储罐1的下开口通道29连接。

所述的单罐斜温层储热子系统和双罐储热子系统共用一套热流体泵10和冷流体泵9，通过控制热流体泵10和冷流体泵9，以及连接管路上安装的阀门13-25可以实现不同的充热、放热功能。

所述单罐斜温层储罐1的体积比热流体储罐3和冷流体储罐5的体积大，用来存储主要的过量辐射产生的热能，并在辐射不足或无辐照时释放热量来产生动力系统所需的蒸汽，承担基础热负荷。

所述单罐斜温层储热子系统既可以为纯液体储热系统，也可以为液体-固体混合储热系统。当单罐斜温层储热子系统为纯液体储热系统时，储热介质2为换热流体。所述的换热流体可以是高温导热油、熔融盐等液体。当单罐斜温层储热子系统为液体-固体混合储热系统时，单罐斜温层储罐1内填充单罐斜温层储罐内储热介质2，单罐斜温层储罐内储热介质2包括颗粒状或多孔材料的固体介质和充满固体介质缝隙空间内的换热流体。所述的换热流体可以是高温导热油、熔融盐等液体，固体储热介质可以是沙石、陶瓷、混凝土或金属材料等。

所述的单罐斜温层储热子系统在储热、放热过程中具有斜温层特性，具体表现为：随着放热的进行，冷流体从单罐斜温层储罐1的下开通道29进入单罐斜温层储罐1，沿着罐高方向向上流动并逐渐将罐内的热流体从上开口通道28推出单罐斜温层储罐1，进行放热。在冷热流体接触的部分存在一个从低温向高温逐渐过渡的斜温层区域。随着时间的推进，斜温层区域逐渐往上移动，低温区不断增加，高温区不断减少，热量随着高温流体的排出而得以释放。储热过程则相反。

所述的双罐储热子系统的主要作用包括：1、存储少量过量辐照产生的热能，并在云遮等短时间太阳辐照不足时提供热能；2、存储单罐斜温层储热子系统完成设定放热过程后的深度放热部分热能，用来提供产生辅助蒸汽所需热能或维持放热系统、管路等保持高温所需热能；3、对单罐斜温层储热子系统起缓冲和调节作用；4、完善储热系统的运行功能和灵活性等。

所述的吸热装置7可以是直接吸收辐射的塔式或槽式吸热器，也可以是吸热工质-储热工质换热器等。所述的放热装置8可以是储热工质-水蒸气发生器，也可以是吸热工质-储热工质换热器等。当吸热装置7和放热装置8都是吸热工质-储热工质换热器时，吸热装置7和放热装置8可以是同一套换热器，此时通过改变吸热工质和储热工质在换热器内的流动方向来实现吸热和放热的功能转换。

采用图1所示的单罐-双罐复合储热系统的储热方法，包括下述工作模式：

（1）白天无辐照波动连续充热。在白天辐照一直充足时可以进行连续充热。每天最初充热过程启动时，单罐斜温层储罐1内的储热介质2处于低温状态，热流体储罐3内流体排空，冷流体储罐5内充满低温的冷流体6。充热开始后首先向热流体储罐3内充热。此时泵9和阀门14、15、19、20开启，其余阀门和泵关闭，来自于冷流体储罐5的冷流体6通过冷流体泵9的出口31、阀门15、14后从吸热装置进口26进入吸热装置7，在吸热装置7内吸热后变成高温的热流体，然后经过出口27、阀门19、20和流体进口管11进入热流体储罐3，直到将其充满或充到设定容量。热流体储罐3充热完毕后，再对单罐斜温层储罐1进行充热。此时泵9和阀门14-18、25开启，其余泵和阀门关闭，来自于冷流体储罐5的冷流体6通过流体泵9的出口31、阀门15和14、并经过吸热装置7吸热后变成热流体，然后从吸热装置出口27流出，经过阀门18、储罐1顶部的上开口通道28进入单罐斜温层储罐1，同时，从储罐1底部的下开口通道29流出的冷流体通过阀门17、16、25和流体进口管12进入冷流体储罐5，形成充热回路。在单罐斜温层储罐1充热的最后阶段，经底部下开口通道29流出的流体的温度逐渐上升，此时如果热流体储罐3尚未充满，将从底部的下开口通道29流出的一部分较高温度的流体充进热流体储罐3。此时需要关闭阀门25并开启阀门24，从底部下开口通道29流出的较高温度的流体会经过阀门17、16、24和流体进口管11进入热流体储罐3。

（2）白天有辐照波动交替充、放热。白天的充热过程的优先顺序是先充热流体储罐3，然后再充单罐斜温层储罐1。当中间有云遮等短时间辐照不足，单罐-双罐复合储热系统可能需要短时间放热。辐照不足发生时如果正在对热流体储罐3进行充热，仍未开始对单罐斜温层储罐1进行充热，此时可以对热流体储罐3以较小流量持续充热或者停止充热，同时开启热流体泵10、阀门22、23，使得热流体储罐3内的高温流体4通过泵出口30、阀门22、23、放热装置进口32进入放热装置8进行放热从而维持系统的稳定、持续运行。放热后热流体变成冷流体，经过放热装置出口33、进口管12进入冷流体储罐5。当辐照不足发生时如果热流体储罐3已经充热完毕而正在对单罐斜温层储罐1进行充热，此时可以对单罐斜温层储罐1以较小流量持续充热或者停止充热，同时同样开启热流体泵10、阀门22、23，使得热流体储罐3内的高温流体4通过泵出口30、阀门22、23、放热装置进口32进入放热装置8放热后再经过放热装置出口33、入口管12进入冷流体储罐5。如果云遮等恶劣辐照延续时间较长，热流体储罐3放热完毕后可以继续对单罐斜温层储罐1进行放热。此时停止充热，开启冷流体泵9、阀门13、15、17-19、21、23，关闭其余泵和阀门，来自于冷流体储罐5的冷流体6通过冷流体泵9和出口31、阀门15、13、17后从单罐斜温层储罐1的底部下开口通道29进入罐体，对单罐斜温层储罐1进行放热，所得到高温流体从罐顶部的上开口通道28流出，然后经过阀门18、19、21、23、放热装置进口32进入放热装置8）放热后再经过放热装置出口33、入口管12进入冷流体储罐5。

当辐照波动消失、辐照又变充足后，停止放热而重新开启充热过程。此时仍然需要先对热流体储罐3进行充热，待其充热完毕后再对单罐斜温层储罐1进行充热。

（3）辐照消失后连续放热。在连续辐照不足时间较长或者夜晚无辐照时，储热系统进行连续放热，此时需要首先对热流体储罐3进行放热。开启热流体泵10、阀门22、23，关闭其余泵和阀门，使得热流体储罐3内的高温流体4通过泵出口30、阀门22、23、放热装置进口32进入放热装置8进行放热从而维持系统持续运行。放热后热流体变成冷流体，经过放热装置出口33、进口管12进入冷流体储罐5，直至热流体储罐3放热完毕。热流体储罐3放热完毕后，开始对单罐斜温层储罐1进行放热。此时开启冷流体泵9、阀门13、15、17-19、21、23，关闭其余泵和阀门，来自于冷流体储罐5的冷流体6通过冷流体泵9和出口31、阀门15、13、17后从单罐斜温层储罐1的底部的下开口通道29进入罐体，对单罐斜温层储罐1进行放热，所得到高温流体从罐顶部的上开口通道28流出，然后经过阀门18、19、21、23、放热装置进口32进入放热装置8放热后再经过放热装置出口33、入口管12重新进入冷流体储罐5，形成放热回路。

在对单罐斜温层储罐1放热的最后阶段，经顶部的上开口通道28流出的流体的温度会逐渐下降。当出口温度下降到设定出口阈值以下后，流体不能通过放热装置8继续利用来发电，此时发电结束，但可以对单罐斜温层储罐1继续进行深度放热。此时关闭阀门21、23，不再使从罐体1顶部的上开口通道28流出的较高温度的流体流经放热装置8，而是开启阀门20，使从上开口通道28流出的较高温度的流体经过阀门18、19、20和进口管11进入热流体储罐3。这时存储在热流体储罐3内的较高温度的流体可以作为夜间设备保温、产生辅助蒸汽等所需的辅助热源。这样可以实现温度梯级利用，减小不可逆损失。

（4）系统停机时及启动前辅助热量释放。在夜间发电系统停止运行时，需要较高温度的流体以低流量连续流经放热装置8等设备来维持设备的温度，直到第二天系统启动。系统启动时也可能需要少量的较高温度流体来产生启动所需要的辅助蒸汽。这可以通过对单罐斜温层储罐1深度放热后存储在热流体储罐3内的较高温度的流体进行放热来实现。此时开启热流体泵10、阀门22、23，关闭其余泵和阀门，热流体储罐3内的热流体4通过泵出口30、阀门22、23、放热装置进口32进入放热装置8，维持设备温度或产生辅助蒸汽。放热后热流体变成冷流体，经过放热装置出口33、进口管12进入冷流体储罐5。

Claims (11)

1.一种太阳能热发电用单罐-双罐复合储热系统，其特征在于：所述储热系统包括单罐斜温层储热子系统、双罐储热子系统和连接管路；所述的单罐斜温层储热子系统通过连接管路与双罐储热子系统连接；

所述的单罐斜温层储热子系统至少包括一个外面包裹保温层的单罐斜温层储罐(1)，单罐斜温层储罐(1)内充满储热介质(2)；单罐斜温层储罐(1)的顶部有上开口通道(28)，底部有下开口通道(29)；上开口通道(28)和下开口通道(29)通过连接管路分别与双罐储热子系统、吸热装置(7)和放热装置(8)相连；

所述的双罐储热子系统至少包括一个冷流体储罐(5)和一个热流体储罐(3)，冷流体储罐(5)和热流体储罐(3)的外面均包裹有保温层；冷流体储罐(5)内部存储冷流体(6)，热流体储罐(3)内部存储热流体(4)；冷流体储罐(5)和热流体储罐(3)内分别安装有冷流体泵(9)和热流体泵(10)；热流体储罐(3)的罐体布置有热流体储罐流体进口管(11)，冷流体储罐(5)的罐体布置有冷流体储罐流体进口管(12)。

2.根据权利要求1所述的单罐-双罐复合储热系统，其特征在于：所述的双罐储热子系统通过管路与吸热装置(7)和放热装置(8)相连，双罐储热子系统通过冷流体泵出口(31)和热流体储罐流体进口管(11)连接单罐储热子系统和吸热装置(7)，双罐储热子系统通过热流体泵的出口(30)和冷流体储罐流体进口管(12)连接放热装置(8)。

3.根据权利要求2所述的单罐-双罐复合储热系统，其特征在于：所述的吸热装置(7)上有吸热装置进口(26)和吸热装置出口(27)；吸热装置进口(26)位于吸热装置(7)的下部，吸热装置出口(27)位于吸热装置(7)的上部；所述的放热装置(8)上有放热装置进口(32)和放热装置出口(33)；放热装置进口(32)和放热装置出口(33)分别位于放热装置(8)的上部和下部；

所述的单罐斜温层储罐(1)的上开口通道(28)通过管路分别与吸热装置出口(27)、热流体储罐的流体进口管(11)，以及放热装置进口(32)连接；所述的单罐斜温层储罐(1)的下开口通道(29)通过管路分别与冷流体储罐流体进口管(12)、冷流体泵出口(31)，以及热流体储罐流体进口管(11)连接；放热装置进口(32)与热流体泵出口(30)连接；冷流体储罐流体进口管(12)与放热装置出口(33)和单罐斜温层储罐(1)的下开口通道(29)连接；冷流体泵出口(31)通过管路分别与吸热装置进口(26)和单罐斜温层储罐(1)的下开口通道(29)连接。

4.根据权利要求2或3所述的单罐-双罐复合储热系统，其特征在于：所述的单罐斜温层储热子系统和双罐储热子系统共用一套热流体泵(10)和冷流体泵(9)，通过控制热流体泵(10)和冷流体泵(9)，以及连接管路上安装的阀门实现充热、放热功能。

5.根据权利要求1所述的单罐-双罐复合储热系统，其特征在于：所述的单罐斜温层储热子系统为纯液体储热系统或为液体-固体混合储热系统。

6.根据权利要求1所述的单罐-双罐复合储热系统，其特征在于：所述的单罐斜温层储罐(1)内填充有颗粒状或多孔材料的固体介质；所述的储热介质(2)包括填充的固体介质和固体介质缝隙空间内的换热流体；所述的换热流体为导热油或熔融盐，所述的固体介质是沙石或陶瓷或混凝土或金属材料。

7.采用权利要求1所述的单罐-双罐复合储热系统的储热方法，其特征在于：所述储热系统的储热方法包括下述模式：白天无辐照波动连续充热；白天有辐照波动交替充、放热；辐照消失后连续放热；系统停机时及启动前辅助热量释放。

8.根据权利要求7所述的单罐-双罐复合储热系统的储热方法，其特征在于：所述的单罐-双罐复合储热系统工作在白天无辐照波动连续充热模式时，其储热方法为：最初储热过程启动时，所述单罐斜温层储热子系统的单罐斜温层储罐(1)内的储热介质(2)处于低温状态，双罐储热子系统的热流体储罐(3)内流体排空，冷流体储罐(5)内充满冷流体(6)；充热开始后首先向所述的热流体储罐(3)充热，来自于冷流体储罐(5)的冷流体(6)经过吸热装置(7)吸热后变成热流体，然后进入热流体储罐(3)，直到将热流体储罐(3)充满或充到设定容量；热流体储罐(3)充热完毕后，开始对单罐斜温层储罐(1)充热，来自于冷流体储罐(5)的冷流体(6)经过吸热装置(7)吸热后变成热流体，然后从单罐斜温层储罐(1)顶部的上开口通道(28)进入单罐斜温层储罐(1)；同时，从单罐斜温层储罐(1)底部的下开口通道(29)流出的冷流体进入冷流体储罐(5)，形成充热回路；在单罐斜温层储罐(1)充热的最后阶段，如果热流体储罐(3)尚未充满，将从斜温层储罐(1)底部的下开口通道(29)流出的的流体充进热流体储罐(3)。

9.根据权利要求7所述的单罐-双罐复合储热系统的储热方法，其特征在于：所述的单罐-双罐复合储热系统工作在白天有辐照波动交替充、放热模式时，其充热过程的优先顺序是先充热双罐储热子系统的流体储罐(3)，然后再充单罐斜温层储罐(1)；辐照不足发生时如果正在对热流体储罐(3)进行充热，仍未开始对单罐斜温层储罐(1)进行充热，此时对热流体储罐(3)以小流量持续充热或者停止充热，同时开启热流体泵(10)将热流体储罐(3)内的热流体泵出进行放热来维持系统的稳定、持续运行，放热完毕后产生的冷流体进入冷流体储罐(5)；当辐照不足发生时，如果热流体储罐(3)已经充热完毕而正在对单罐斜温层储罐(1)充热，此时对单罐斜温层储罐(1)以小流量持续充热或者停止充热，同时开启热流体泵(10)将热流体储罐(3)内的热流体泵出进行放热来维持系统运行，放热完毕后产生的冷流体进入冷流体储罐(5)；如果恶劣辐照延续时间较长，热流体储罐(3)放热完毕后继续对单罐斜温层储罐(1)放热；当辐照波动消失、辐照又变充足后，停止放热而重新开启充热过程，此时仍然需要先对热流体储罐(3)进行充热，待其充热完毕后再对单罐斜温层储罐(1)进行充热。

10.根据权利要求8所述的单罐-双罐复合储热系统的储热方法，其特征在于：所述的单罐-双罐复合储热系统工作在辐照消失后连续放热模式时，首先对热流体储罐(3)放热，来自热流体储罐(3)的热流体经过放热装置(8)释放热量后变成冷流体，进入冷流体储罐(5)，直到热流体储罐(3)放热完毕；热流体储罐(3)放热完毕后，开始对单罐斜温层储罐(1)进行放热，此时来自冷流体储罐(5)的冷流体(6)从单罐斜温层储罐(1)底部的下开口通道(29)进入单罐斜温层储罐(1)内放热，从单罐斜温层储罐(1)顶部的上开口通道(28)流出的热流体经过放热装置(8)释放热量后变成冷流体，重新进入冷流体罐(5)，形成放热回路；在单罐斜温层储罐(1)放热的最后阶段，当出口温度下降到设定出口阈值以下后，从单罐斜温层储罐顶部的上开口通道(28)流出的热流体不再流经放热装置(8)，而是充进热流体储罐(3)。

11.根据权利要求7所述的单罐-双罐复合储热系统的储热方法，其特征在于：所述的单罐-双罐复合储热系统在停机时及处于启动前辅助热量释放模式时，所述的双罐储热子系统的热流体储罐(3)内的热流体(4)流经放热装置(8)，维持设备温度或产生辅助蒸汽，释放热量后变成冷流体进入冷流体储罐(5)。