CN103353180B - 一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，包括集热蓄能装置、冷凝器、储液器、蒸发器、换热单元、吸附质，所述冷凝管内的换热盘管在系统集热蓄热时与低温流体源接通，所述蒸发器内的蒸发器换热盘管在系统放热时与热流体源接通；所述吸附质能够在依次连接的集热蓄能装置、冷凝器、储液器、蒸发器、换热单元中流动，当系统集热蓄热时，集热蓄能装置内为一端封闭、另一端开闭能够控制的管筒状结构的蓄热模块，管筒内外壁之间填有化学蓄热材料，外壁面涂有吸热涂层，管筒中心设有通道。本发明还提供了一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温方法，本发明可跨地、跨季节蓄放热，通过提高蒸发压力，可提供较高温度的热量。

Description

一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能蓄能技术领域，具体是一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统及方法。

背景技术

随着化石燃料的不断开采，能源问题日益严峻，开发新能源是解决能源和环保问题最有效的途径之一。太阳能取之不尽、用之不竭，清洁无污染，但是太阳能存在间歇性、分散性、不稳性以及能源密度低的缺陷，为了实现太阳能蓄热技术实际的广泛应用，必需要研发出具有较高收集效率、较低成本和较高储能效率的蓄热系统。

传统的太阳能蓄热技术由太阳能集热器把太阳能收集起来先加热水箱内的水，然后再经过换热器将热量传递给蓄热材料，中间存在多个换热环节，因此蓄热效率较低。再则，目前太阳能蓄热技术主要是基于相变或者显热原理，这种蓄热方式在中长期存储过程中不仅会有热量数量上的损失，而且由于温度下降造成热量品质的降低。

另外，目前基于化学蓄热原理的太阳能中长期存储系统，蓄热完成后，集热器多是处于闲置的状态，放热时由于环境温度较低，吸附质的蒸发压力较低，系统所能提供的热量温度相对较低，无法满足有较高温度需求的场所，从而导致了实际系统的使用受限以及经济性差。

现有的蓄热装置普遍存在一个问题：蓄热和放热都只能在同一场所进行，装置安装好后可维护性差。实际应用中需要考虑的是把太阳能充足的地方蓄好的太阳能便捷地运输到太阳能并不充足的地域以供使用，这就需要设计的蓄热装置具有模块化的结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统及方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，包括集热蓄能装置、冷凝器、储液器、蒸发器、换热单元、吸附质，所述冷凝器内设有冷凝器换热盘管，所述冷凝管换热盘管在系统集热蓄热时与低温流体源接通，所述蒸发器内设有蒸发器换热盘管，所述蒸发器换热盘管在系统放热时与热流体源接通；所述吸附质能够在依次连接的集热蓄能装置、冷凝器、储液器、蒸发器、换热单元中流动，所述集热蓄能装置与冷凝器之间、储液器与蒸发器之间、蒸发器与换热单元之间的通断可控；

当系统集热蓄热时，集热蓄能装置内为蓄热模块，所述蓄热模块，为一端开闭能够控制的管筒状结构，管筒内外壁之间填有化学蓄热材料，外壁面为涂有吸热涂层的吸热面，管筒中心为气体通道；太阳光照射在吸热面上，辐射能转化成热能，热量传递给管筒内外壁间填充的蓄热材料，蓄热材料被加热后解吸出吸附质，解吸出来的吸附质进入气体通道再经过蓄热模块一端的控制阀导出；关闭控制阀后，太阳能就被无损的保存下来，需要释放热量时，打开控制阀，吸附质被蓄热材料吸收，该过程就能实现热量的释放。这种结构便于运输，能够方便的运输到用于空间加热、提供热水等需热场所，或者作为热流体源的地方。

作为本发明的进一步改进，当系统放热时，所述热流体源的热流体通过集热蓄能装置加热，集热蓄能装置内为集热模块，所述集热模块，主体为换热管，外壁面为敷有吸热涂层的吸热面，两端开口，中心为气体通道；太阳光照射在吸热面上，辐射能转化成热能，热能导入换热管内部加热从气体通道一端流入的载热流体，载热流体被加热后从另一端流出集热模块。

所述换热单元内设有蓄热模块，蓄热模块与蒸发器连接。

所述的集热蓄能装置包括梯形槽式和真空管式两种集热结构，真空管式和梯形槽式集热结构均包括玻璃真空罩和集热蓄热模块，梯形槽式集热结构外壁敷有保温材料，内壁面涂有吸热涂层；每种集热蓄能装置可处于集热和蓄热两种运行状态，集热和蓄热两种工作状态之间的切换是通过更换集热蓄热模块实现的，集热蓄热模块为集热模块时，对应的是集热状态；集热蓄热模块为蓄热模块时，对应的是蓄热状态。

所述的化学蓄热材料可为单一的化学吸附材料(如MgCl2、MgSO4、BaCl2、CaCl2、Na2S等无机盐，MgO、CaO、PbO等金属氧化物，NaH、LiH等金属氢化物)，也可为具有良好的传热传质性能的复合材料(用沸石、硅胶、活性炭等其他骨架材料和化学吸附剂复合而成，必要时可添加石墨或者金属粉末提高其导热系数)。

当考虑用于空间加热时，所述的吸附质通常选择水；当考虑需要较高温度的工业用时，可选用其他物质做(作)为吸附质，例如二氧化碳、氢气、氨气等等。

所述的蓄热材料与吸附质间能够发生可逆的吸附、解吸反应，蓄热材料解吸吸附质时为吸热过程，吸收吸附质时为放热过程。所选择的蓄热材料与吸附质能够满足太阳能中长期蓄热的多次可重复性操作。

本发明所述的蓄热模块在蓄好热后能够方便的从集热蓄能装置中抽出，实现把太阳能充足的地域蓄好的热能运输到需热场所，装置具有良好的便携性和可维护性。

本发明还提供了一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温方法，运行一个周期依次经历集热蓄热、解吸放热两个阶段：

在系统集热蓄热阶段，集热蓄能装置处于蓄热状态，集热蓄热模块为特殊结构——蓄热模块，太阳光透过集热蓄能装置表面的玻璃真空罩，被吸热面所吸收，太阳光的辐射能转化成热能，该热能加热蓄热模块内的蓄热材料，打开控制阀，解吸出的吸附质通过气体通道传出蓄热模块，开启蓄热阀，吸附质进入冷凝器中被冷凝器换热盘管中的低温流体冷却进而泠凝成液态，存储在储液器中，待解吸完全后关掉控制阀、蓄热阀，将蓄热模块从集热蓄能装置抽出放置于换热单元的腔体中并与经放热阀导入换热单元的管路相连接。

在系统放热阶段，当环境温度变化不大时，可采用直接放热的方式。打开节流阀，储液器中的吸附质进入蒸发器，打开放热阀，将切换阀的下侧和右侧接口连通、回流阀的下侧和右侧接口连通，开启载热流体循环泵，环境热流体(水或空气)从切换阀下侧接口进入载热流体循环管路，通过蒸发器换热盘管加热蒸发器内的流体，然后从回流阀下侧接口流出系统。蓄热模块中的蓄热材料吸收蒸发器中的吸附质并放出热量，释放出的热量加热经换热流体进口管路流入换热单元的换热流体，被加热后的换热流体从换热流体出口管路流出；

在系统放热阶段，当环境温度变化较大时，可采用带升温过程的放热方式。集热蓄能装置处于集热状态，集热蓄热模块为常规结构——集热模块，打开升温阀，将切换阀左右两侧接口连通，将回流阀上侧和右侧接口连通，开启载热流体循环泵，太阳光透过集热蓄能装置表面的玻璃真空罩，被吸热面吸收，太阳辐射能转化成热能，该热能通过集热模块传递给流入气体通道的载热流体，加热后的载热流体进入蒸发器换热盘管将热量传递给蒸发器内的吸附质；待需要放热时，开启放热阀，蓄热模块中的蓄热材料吸收蒸发器中升温后的吸附质并放出热量，释放出的热量用于加热换热流体，由于蒸发器中的吸附质升温后提高了其蒸发压力，因此吸附放热过程能够提供加热换热流体的较高温度的热量。不仅可以满足普通空间加热以及热水需求，还可以用于更高温度需求的场所。

所述的蓄热模块，为一端封闭，一端带有控制阀的管筒状结构。在蓄热阶段，蓄热模块带有控制阀的一端与蓄热阀所在的管路连接，开启蓄热阀之后还需要打开控制阀，吸附质才能通过气体通道导出蓄能器然后进入冷凝器中，蓄热过程才能进行。

所述的冷凝器，换热盘管内的低温流体可以直接用空气或者水，低温流体的流量根据蓄热过程的快慢进行调节。当太阳辐射较强时，吸附质解吸的速率较高，此时单位时间需要被带出冷凝器的热量较大，因此低温流体的流速要较大；反之，太阳辐射强度较低时，需要较小的流速。

所述的集热模块，两端开口并带有快速接头，当集热蓄能装置处于集热状态时，需要将集热模块两端接入升温阀、回流阀所在的载热流体管路。

所述的普通放热方式，环境热流体可直接采用空气，也可引用河流、湖泊中的水，或者用工业废热，热流体在载热流体循环泵的作用下被引入载热流体循环管路，进入蒸发器换热盘管，为吸附质的汽化提供热量。

所述的带升温过程的放热方式，载热流体可以是导热油或者水，载热流体被循环泵送入集热模块内的气体通道，加热后的载热流体将热量传递给蒸发器内的液态吸附质，以提供吸附质的汽化所需要的热量。

与现有技术相比，本发明具有显著的优点:

第一，本发明实现了蓄能装置的模块化设计，完成蓄热的蓄热模块可随时运输到需热场所或充当其他装置的热流体源用，蓄放热过程分开，可异地进行；

第二，本发明利用到了蓄好热后处于闲置状态的集热器收集到的热量，实现了装置的充分利用，可进一步提高系统效率；

第三，本发明放热阶段分为普通放热和带升温过程的放热两种方式，当环境温度变化较大时，利用集热器收集到的太阳能加热蒸发器内的吸附质，可提高其蒸发压力，继而保证蓄热模块放热时能够实现较高的放热温度。所释放的热量不仅可用于空间加热、居民热水需求，还可用于对于热流体源温度有更高要求的场合。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

图2为内部是蓄热模块时的梯形槽式集热蓄能装置剖面示意图。

图3为内部是集热模块时的梯形槽式集热蓄能装置剖面示意图。

图4为内部是蓄热模块时的真空管式集热蓄能装置剖面示意图。

图5为内部是集热模块时真空管式集热蓄能装置剖面示意图。

图6为蓄热模块示意图。

图7为集热模块示意图。

图中：1为集热蓄能装置，2为蓄热阀，3为冷凝器，4为冷凝器换热盘管，5为吸附质，6为储液器，7为节流阀，8为蒸发器，9为蒸发器换热盘管，10为载热流体循环泵，11为切换阀，12为升温阀，13为回流阀，14为放热阀，15为换热单元，16为换热流体进口管路，17为换热流体出口管路，18为吸热面，19为玻璃真空罩，20为保温材料，21为蓄热模块，22为集热模块，23为气体通道，24为蓄热材料，25为控制阀。

图中实线箭头表示吸附质的流动方向，虚线箭头表示载热流体的流动方向，虚点线箭头表示进入换热盘管的流体的流动方向，单点长划线表示换热流体流动方向；

具体实施方案

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

图1中，本实施例的一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，包括集热蓄能装置1、蓄热阀2、冷凝器3、储液器6、节流阀7、蒸发器8、载热流体循环泵10、切换阀11、升温阀12、回流阀13、放热阀14、换热单元15、换热流体进口管路16、换热流体出口管路17，冷凝器3内设有冷凝器换热盘管4，并装有吸附质5；蒸发器8内设有蒸发器换热盘管9，并装有吸附质5。

集热蓄能装置1上侧出口经蓄热阀2与冷凝器3进口相连，冷凝器3出口与储液器6进口相连，储液器6出口经节流阀7与蒸发器8下侧进口相连，蒸发器8上侧出口经放热阀14与换热单元15相连；集热蓄能装置1左侧出口经升温阀12、切换阀11左右两侧接口与载热流体循环泵10进口相连，载热流体循环泵10出口与蒸发器换热盘管9进口相连，蒸发器换热盘管9出口经回流阀13右侧和上侧接口与集热蓄能装置1下侧进口相连。

换热流体进口管路16连接在换热单元15腔体左侧，换热流体出口管路17连接在换热单元15腔体右侧。

本实施实例中，集热蓄能装置1采用如图2所示的梯形槽式结构，蓄热模块21中填充MgCl2与石墨的混合物，换热流体为氨气。

本实施实例中，通过调节放热阀14的开度来调节换热单元15的放热速率，其开度范围为0-100％。

本实施实例中，模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统运行一个周期依次经历蓄热、放热两个阶段：

在蓄热阶段，集热蓄能装置1处于蓄热状态，集热蓄热模块为特殊结构——蓄热模块21，太阳光透过集热蓄能装置1表面的玻璃真空罩19，被吸热面18所吸收，太阳光的辐射能转化成热能，该热能加热蓄热模块21内的蓄热材料24，打开控制阀25，解吸出的吸附质5通过气体通道23传出蓄热模块21，开启蓄热阀2，吸附质5进入冷凝器3中被冷凝器换热盘管4中的低温流体冷却进而泠凝成液态，存储在储液器6中，待解吸完全后关掉控制阀25、蓄热阀2，将蓄热模块21从集热蓄能装置1抽出放置于换热单元15的腔体中并与经放热阀14导入换热单元15的管路相连接。

在放热阶段，当环境温度变化不大时采用普通的放热方式。打开节流阀7，储液器6中的吸附质5进入蒸发器8，打开放热阀14，将切换阀11的下侧和右侧接口连通、回流阀13的下侧和右侧接口连通，开启载热流体循环泵10，环境热流体(水或者空气)从切换阀11下侧接口进入载热流体循环管路，通过蒸发器换热盘管9加热蒸发器8内的液态吸附质5，然后从回流阀13下侧接口流出系统，蓄热模块21中的蓄热材料24吸收蒸发器8中气化后的吸附质5并放出热量，释放出的热量加热经换热流体进口管路16流入换热单元15的换热流体，被加热后的换热流体从换热流体出口管路17流出，可对外提供热量；

在放热阶段，当环境温度变化较大时，采用带升温的放热方式。集热蓄能装置1处于集热状态，集热蓄热模块为常规结构——集热模块22，打开升温阀12，将切换阀11左右两侧接口连通，将回流阀13上侧和右侧接口连通，开启载热流体循环泵10，太阳光透过集热蓄能装置1表面的玻璃真空罩19，被吸热面18吸收，太阳辐射能转化成热能，该热能通过集热模块22传递给流入气体通道23的载热流体，加热后的载热流体进入蒸发器换热盘管9将热量传递给蒸发器8内的液态吸附质；待需要放热时，开启放热阀14，蓄热模块21中的蓄热材料24吸收蒸发器8中升温后的气态吸附质并放出热量，释放出的热量用于加热换热流体，由于蒸发器8中的吸附质升温后提高了其蒸发压力，因此吸附放热过程能够提供加热换热流体的较高温度的热量。

放热的速率经放热阀14的开度调节。

本实施实例中，采用普通放热方式时系统蓄能密度大约为1500-2000KJ/Kg，放能温度约为200℃；采用带升温的放热方式时系统的放能温度约为230℃。带升温的放热方式相比普通放热方式，放热温度提升了约30℃。

实施例2：

本实施实例的模块化太阳能中长期化学吸附蓄放热及升温系统，集热蓄能装置1采用如图4所示的真空管式的结构。

本实施实例中，蓄热模块21中填充LiBr与石墨的混合物，换热流体为水，无聚光结构。

本实施实例其余过程与实施例1相同。

本实施实例中，采用普通放热方式时系统蓄能密度大约为2600KJ/Kg，放能温度约为58℃；采用带升温的放热方式时系统的放能温度约为90℃。带升温的放热方式相比普通放热方式，放热温度提升了约32℃。

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 (9)

1.一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，其特征是，包括集热蓄能装置、冷凝器、储液器、蒸发器、换热单元、吸附质，所述冷凝器内设有冷凝器换热盘管，所述冷凝管换热盘管在系统集热蓄热时与低温流体源接通，所述蒸发器内设有蒸发器换热盘管，所述蒸发器换热盘管在系统放热时与热流体源接通；所述吸附质能够在依次连接的集热蓄能装置、冷凝器、储液器、蒸发器、换热单元中流动，所述集热蓄能装置与冷凝器之间、储液器与蒸发器之间、蒸发器与换热单元之间的通断能够控制；当系统集热蓄热时，集热蓄能装置内为蓄热模块，所述蓄热模块为一端封闭、另一端开闭能够控制的管筒状结构，管筒内外壁之间填有化学蓄热材料，外壁面涂有吸热涂层，管筒中心设有通道。

2.如权利要求1所述的模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，其特征是，当系统放热时，所述热流体源的热流体通过集热蓄能装置加热，集热蓄能装置内为集热模块，所述集热模块主体为换热管，外壁面敷有吸热涂层，两端开口，中心为通道。

3.如权利要求1所述的模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，其特征是，所述换热单元内设有蓄热模块。

4.如权利要求1所述的模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，其特征是，所述集热蓄能装置为梯形槽式玻璃真空罩，外壁敷有保温材料，内壁面涂有吸热涂层。

5.如权利要求1所述的模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，其特征是，所述集热蓄能装置为真空管式玻璃真空罩。

6.如权利要求1所述的模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，其特征是，所述的吸附质为水、二氧化碳、氢气或者氨气。

7.如权利要求1所述的模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温系统，其特征是，所述的蓄热材料与吸附质间能够发生可逆的吸附、解吸反应。

8.一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温方法，其特征是，包括至少一个周期，每个周期依次经历集热蓄热、解吸放热两个阶段：

在系统集热蓄热阶段，集热蓄能装置处于蓄热状态，集热蓄热模块为蓄热模块，太阳光通过集热蓄能装置转化成热能，该热能加热蓄热模块内的蓄热材料，解吸出的吸附质传出蓄热模块，进入冷凝器中被冷凝器换热盘管中的低温流体冷却进而泠凝成液态，存储在储液器中，待解吸完全；

在系统放热阶段，储液器中的吸附质进入蒸发器，热流体源流体进入并通过蒸发器换热盘管加热蒸发器内的流体，然后流出系统；换热单元中的蓄热模块中的蓄热材料吸收蒸发器中的吸附质并放出热量，释放出的热量加热换热流体。

9.一种模块化太阳能化学吸附蓄放热及升温方法，其特征是，包括至少一个周期，每个周期依次经历集热蓄热、解吸放热两个阶段：

在系统集热蓄热阶段，集热蓄能装置处于蓄热状态，集热蓄热模块为蓄热模块，太阳光通过集热蓄能装置转化成热能，该热能加热蓄热模块内的蓄热材料，解吸出的吸附质传出蓄热模块，进入冷凝器中被冷凝器换热盘管中的低温流体冷却进而泠凝成液态，存储在储液器中，解吸完全；

在系统放热阶段，集热蓄能装置处于集热状态，集热蓄热模块为集热模块，太阳光通过集热蓄能装置转化成热能，该热能通过集热模块传递给流入的载热流体，加热后的载热流体进入蒸发器换热盘管将热量传递给蒸发器内的吸附质；待需要放热时，蓄热模块中的蓄热材料吸收蒸发器中升温后的吸附质并放出热量，释放出的热量用于加热换热流体。