CN103542554B - 一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置 - Google Patents

一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置。该装置由太阳光采集-传输单元、光热转换-传导单元、热存储单元和温度控制单元共同构成。在装置运行时，太阳光通过采集-传输单元入射到光热转换-传导单元的表面并被高效地吸收转化为热能，通过导热作用，热能被热存储单元快速有效地存储起来，通过温度控制单元可实现热存储单元储热温度的有效调控。该装置利用导光材料进行光能传输，克服了传统导热油、导热熔盐等传热工作介质工作温度范围有限的不足之处，装置结构简单、光热转换效率高、储热能力强，可在太阳能热发电系统和节能建筑上推广应用。

Description

一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置
技术领域
本发明属于太阳能光热转换技术领域，具体涉及一种新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置。
背景技术
在解决全球性的能源与环境危机中，太阳能的光热转换以及存储利用技术受到了国际社会的高度关注，是当前新能源技术领域的研究热点和重点之一。目前太阳能热能转换-热存储利用技术已有相当多的应用。目前太阳能光热转换和热存储技术还有待改进：(1)太阳能光热转换效率不高；(2)光转换热量后还需要通过腐蚀性较强、结构较昂贵的导热油或导热熔盐进行热交换；(3)受到导热油温度的限制，满足不了高温要求(温差越大，传热流越大；温差越大，利用热电材料进行热发电的效率越高)，其重要原因是自然辐射太阳光的单位面积的能流密度有限。
而太阳能应用中储热材料应满足如下要求：储热材料应有良好的化学和力学稳定性；储热材料与热交换器之间良好的化学相容性、热传导性；储热材料应有高的能量密度；低成本。目前储热的方式主要有显热储热，相变储热及化学反应储热。而目前技术中最成熟且具有商业可行的储热方式是显热储热。水泥基储热材料具有成本低，性能稳定、储热能力优良等优点。
通过国内外文献资料的了解，高效的选择吸收型光热转换材料和高性能太阳能复合储热材料的是太阳能利用中非常重要的研究方面，到目前为止，这种集“高效光热转换、热存储”功能于一体的新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置还未出现。该装置不仅提供了高效的光热转换，还直接通过金属棒将热量传递给固体显热材料的方式，克服了传统液体及熔盐在高温下易腐蚀、蒸汽压高等缺点，同时高性能的水泥基储热材料有力保证了与其紧扣的储热环节的能量在空间与时间上的利用效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，该装置由太阳光采集-传输单元、光热转换-传导单元、热存储单元和温度控制单元共同构成，所述的太阳光采集-传输单元的输出端与光热转换-传导单元的输入端相连接，所述的光热转换-传导单元的输出端与热存储单元连接，所述的光热转换-传导单元中传导部分设置在热存储单元内部，温度控制单元由热存储单元的输出端反馈控制太阳光采集-传输单元与光热转换-传导单元；
所述的太阳光采集-传输单元自上而下由太阳能自动跟踪器(1)、菲涅尔透镜(2)、聚光器(3)和导光材料(4)共同组成，所述的自动跟踪器(1)与菲涅尔透镜(2)连接，菲涅尔透镜(2)与聚光器(3)连接，聚光器(3)与导光材料器(4)连接；所述的聚光器(3)底部连接导光器(4)；导光器(4)的末端对准光热转换-传导单元；
所述的光热转换-传导单元由选择吸收型光热转换器(5)、粘结层(6)和导热铜棒(7)组成；所述的粘结层(6)连接选择吸收型光热转换器(5)与导热铜棒(7)；
所述的热存储单元由铝酸盐水泥基复合储热材料(8)和保温材料层(9)组成；
所述的温度控制单元由热电偶(10)、温度显示器(11)、温度反馈线(12)和开关(13)共同组成；所述的铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的实时温度通过热电偶(10)测定后在温度显示器(11)上显示，再通过温度反馈线(12)控制导光材料(4)与选择吸收型光热转换器(5)之间的开关(13)。
进一步的，所述的导光材料的导光率大于95%，导光材料形状为纤维、管状、棒状中的任一种。
进一步的，所述的选择吸收型光热转换器，其为可见光吸收率为80%～99%、红外发射率为0.2～0.5的陶瓷复合材料，由选择吸收型光热转换陶瓷与无机增强材料按照体积比2～5:1叠加烧结而成。
进一步的，选择吸收型光热转换陶瓷，其结构式为：Sm1-xSrxCoO3，其中X的取值范围为0.2≤X≤0.8，优选0.4～0.55。
进一步的，无机增强材料为SiC晶须或Si3N4晶须中的至少一种。
进一步的，所述的粘结层为无机耐高温胶硅酸盐类、硫酸铝盐类和磷酸铝盐类中的至少一种。
进一步的，铝酸盐水泥基复合储热材料由80～94wt%铝酸盐水泥、1～5wt%纳米MgO和5～15wt%功能粉体制备而成。
如上所述的铝酸盐水泥基复合储热材料，其特征在于其制备过程为：按上述配比先将铝酸盐水泥和功能粉体混合均匀，形成复合分体；将纳米MgO、以甲基丙烯酸为主链，羧酸基团和甲氧基聚二乙醇为侧链的聚酯型结构的高减水、高增强、低收缩的聚羧酸类减水剂和水搅拌均匀，并加入至复合粉体中，水化形成复合浆体；将水化好的复合浆体置于钢模模具中，22～26小时后脱模，20～25℃温度下置于水中养护6～8天后再在100～110℃温度下烘干22～26小时即可；其中，水与复合粉体的水灰比为0.3～0.5。
进一步的，所述的聚羧酸类减水剂占复合粉体总质量的1～2wt%；功能粉体为石墨粉、铜粉中的至少一种。
本发明的有益效果在于：
1、新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置该装置利用导光材料进行光能传输，克服了导热油、导热熔盐等现有热交换工作介质的不足之处，装置能够在不同光照条件运行。
2、新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置结构简单、可设计性强，可在光热发电、建筑节能等领域进行应用。
附图说明
图1为本发明所述新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置的示意图。
图2为选择吸收型光热转换器与导热铜棒结构示意图。
其中：1-太阳能自动跟踪器；2-菲涅尔透镜；3-聚光器；4-导光材料；5-选择吸收型光热转换器；6-粘结层；7-导热铜棒；8-铝酸盐水泥基复合储热材料；9-外层保温层；10-热电偶；11-温度显示器；12-温度反馈线；13-开关。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明做详细的描述，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1
本发明的结构如图1所示：由太阳光采集-传输单元、光热转换-传导单元、热存储单元以及温度控制单元构成；
太阳光通过采集-传输单元入射到光热转换-传导单元表面，并被高效地吸收、转化为热能，通过导热作用，热能被热存储单元快速有效地存储起来。其中太阳光采集-传输单元由太阳能自动跟踪器(1)、菲涅尔透镜(2)、聚光器(3)和导光材料(4)共同组成，菲涅尔透镜(2)在聚光器(3)上面，聚光器(3)底部联接导光材料(4)，导光材料(4)的末端对准光热转换-传导单元；光热转换-传导单元由选择吸收型光热转换器(5)、粘结层(6)和导热铜棒(7)组成，粘结层(6)联接选择吸收型光热转换器(5)与导热铜棒(7)，选择吸收型光热转换器(5)由可见光吸收率高、红外发射率低的锶掺杂钴酸钐和具有增强作用的无机晶须材料复合制备而成；热存储单元由铝酸盐水泥基复合储热材料(8)和保温材料层(9)组成；温度控制单元由热电偶(10)、温度显示器(11)、温度反馈线(12)和开关(13)共同组成，铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的温度通过热电偶(10)测定后在温度显示器(11)上显示，然后通过温度反馈线(12)控制导光材料(4)与选择吸收型光热转换器(5)之间的开关(13)。
太阳光采集-传输单元中菲涅尔透镜(2)（形状为350mm×350mm，焦距f=370mm，厚度3mm，聚光倍数1000倍，该透镜的透过率为92%(市售)，按同一平面上2×2分布，一共4根的阵列。导光材料(4)材质为玻璃(市售)，形状为管状，上口直径100mm，下口直径50mm，壁厚1mm，内壁上涂有高反射银膜厚0.5mm，反射率为95%。每根导光材料(4)对应一个菲涅尔透镜(2)。
光热转换-传导单元中的正四棱锥凹槽型表面选择吸收型光热转换器(5)的制备：首先按Sm0.5Sr0.5CoO3计量比称取52.4gSm2O3、44.7gSrCO3和50.3gCo2O3，经过共混、预烧、粉碎及流延成型后得到选择吸收型光热转换陶瓷生瓷带，厚度为110μm；然后以SiC晶须(市售)为无机增强材料，按照上述选择吸收型光热转换陶瓷生瓷带的流延工艺流延成型，制得无机增强材料生瓷带，厚度为118μm；将选择吸收型光热转换陶瓷与无机增强材料按体积比4:1进行叠加和挤压成型，最后高温烧结制得正四棱锥凹槽型表面选择吸收型光热转换器(5)，高度为2mm，发射率0.25，可见光和近红外光的吸收率85%。选择吸收型光热转换器(5)与导光材料(4)一一对应；导热铜棒(7)直径为30mm，导热铜棒(7)与选择吸收型光热转换器(5)通过粘结层(6)联接，粘结层(6)为无机耐高温胶硅酸盐类材料，导热铜棒(7)浇筑于铝酸盐水泥基复合储热材料(8)中。
热存储单元中铝酸盐水泥基复合储热材料(8)由43.0kg铝酸盐水泥(市售)、1.0kg纳米MgO(市售)和6.0kg铜粉(市售)组成。根据组成比称取相应的原料混合均匀，控制水灰比0.3、聚羧酸类减水剂(市售，选用江苏博特新材料有限公司生产的型号为的减水剂)用量（复合粉体总质量0.5kg）、养护条件（25℃，水中，7天）和烘干条件（105℃，24小时），制得长×宽×高为0.3m×0.3m×0.3m的复合储热材料。外层保温材料为气凝胶绝热毡(市售，由绍兴纳诺高科有限公司提供，型号为FMA-400)，在350℃下导热系数约为0.03W/mK，则损失的热量36.11W/m2。
温度控制单元中当温度显示器(11)上监测到铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的温度达到200℃时，通过温度反馈线(12)关闭导光材料(4)与选择吸收型光热转换器(5)之间的开关(13)。
新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置经过一系列聚光、导光、光热转换以及热传导后，当铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的温度达到200℃时，可存储8.9MJ的能量。
实施例2
本发明的结构如图1所示：由太阳光采集-传输单元、光热转换-传导单元、热存储单元以及温度控制单元构成；
太阳光通过采集-传输单元入射到光热转换-传导单元表面，并被高效地吸收、转化为热能，通过导热作用，热能被热存储单元快速有效地存储起来。其中太阳光采集-传输单元由太阳能自动跟踪器(1)、菲涅尔透镜(2)、聚光器(3)和导光材料(4)共同组成，菲涅尔透镜(2)在聚光器(3)上面，聚光器(3)底部联接导光材料(4)，导光材料(4)的末端对准光热转换-传导单元；光热转换-传导单元由选择吸收型光热转换器(5)、粘结层(6)和导热铜棒(7)组成，粘结层(6)联接选择吸收型光热转换器(5)与导热铜棒(7)，选择吸收型光热转换器(5)由可见光吸收率高、红外发射率低的锶掺杂钴酸钐和具有增强作用的无机晶须材料复合制备而成；热存储单元由铝酸盐水泥基复合储热材料(8)和保温材料层(9)组成；温度控制单元由热电偶(10)、温度显示器(11)、温度反馈线(12)和开关(13)共同组成，铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的温度通过热电偶(10)测定后在温度显示器(11)上显示，然后通过温度反馈线(12)控制导光材料(4)与选择吸收型光热转换器(5)之间的开关(13)。
太阳光采集-传输单元中菲涅尔透镜(2)（形状为350mm×350mm，焦距f=370mm，厚度3mm，聚光倍数1000倍，该透镜的透过率为92%（市售），按同一平面上3×3分布，一共9根的阵列。导光材料(4)材质为玻璃(市售)，形状为管状，上口直径100mm，下口直径50mm，壁厚1mm，内壁上涂有高反射银膜厚0.5mm，反射率为95%。每根导光材料(4)对应一个菲涅尔透镜(2)。
光热转换-传导单元中的正四棱锥凹槽型表面选择吸收型光热转换器(5)的制备：首先按Sm0.4Sr0.6CoO3计量比称取41.9gSm2O3、53.7gSrCO3和50.3gCo2O3，经过共混、预烧、粉碎及流延成型后得到选择吸收型光热转换陶瓷生瓷带，厚度为110μm；然后以SiC晶须(市售)为无机增强材料，按照上述选择吸收型光热转换陶瓷生瓷带的流延工艺流延成型，制得无机增强材料生瓷带，厚度为118μm；将选择吸收型光热转换陶瓷与无机增强材料按体积比2.5:1进行叠加和挤压成型，最后高温烧结制得正四棱锥凹槽型表面选择吸收型光热转换器(5)，高度为2mm，红外发射率为0.40，可见光和近红外光的吸收率为92%。选择吸收型光热转换器(5)与导光管(4)一一对应；导热铜棒(7)直径为30mm，导热铜棒(7)与选择吸收型光热转换器(5)通过粘结层(6)联接，粘结层(6)为无机耐高温胶硅酸盐类材料，导热铜棒(7)浇筑于铝酸盐水泥基复合储热材料(8)中。
热存储单元中铝酸盐水泥基复合储热材料(8)由46.5kg铝酸盐水泥(市售)、0.5kg纳米MgO(市售)和3.0kg(市售)石墨粉组成。根据组成比称取相应的原料混合均匀，控制水灰比0.4、聚羧酸类减水剂(市售，选用江苏博特新材料有限公司生产的型号为的减水剂)用量（复合粉体总质量0.5kg）、养护条件（25℃，水中，7天）和烘干条件（105℃，24小时），制得长×宽×高为0.3m×0.3m×0.3m的复合储热材料。外层保温材料为气凝胶绝热毡(市售，由绍兴纳诺高科有限公司提供，型号为FMA-400)，在350℃下导热系数约为0.03W/mK，则损失的热量36.11W/m2。
温度控制单元中当温度显示器(11)上监测到铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的温度达到275℃时，通过温度反馈线(12)关闭导光材料(4)与选择吸收型光热转换器(5)之间的开关(13)。
新型无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置经过一系列聚光、导光、光热转换以及热传导后，当铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的温度达到275℃，可存储12.82MJ的能量。

Claims (9)

1.一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：该装置由太阳光采集-传输单元、光热转换-传导单元、热存储单元和温度控制单元共同构成，所述的太阳光采集-传输单元的输出端与光热转换-传导单元的输入端相连接，所述的光热转换-传导单元的输出端与热存储单元连接，所述的光热转换-传导单元中传导部分设置在热存储单元内部，温度控制单元由热存储单元的输出端反馈控制太阳光采集-传输单元与光热转换-传导单元；
所述的太阳光采集-传输单元自上而下由太阳能自动跟踪器(1)、菲涅尔透镜(2)、聚光器(3)和导光器(4)共同组成，所述的自动跟踪器(1)与菲涅尔透镜(2)连接，菲涅尔透镜(2)与聚光器(3)连接，聚光器(3)与导光器(4)连接；所述的聚光器(3)底部连接导光器(4)；导光器(4)的末端对准光热转换-传导单元；
所述的光热转换-传导单元由选择吸收型光热转换器(5)、粘结层(6)和导热铜棒(7)组成；所述的粘结层(6)连接选择吸收型光热转换器(5)与导热铜棒(7)；
所述的热存储单元由铝酸盐水泥基复合储热材料(8)和保温材料层(9)组成；
所述的温度控制单元由热电偶(10)、温度显示器(11)、温度反馈线(12)和开关(13)共同组成；所述的铝酸盐水泥基复合储热材料(8)的实时温度通过热电偶(10)测定后在温度显示器(11)上显示，再通过温度反馈线(12)控制导光器(4)与选择吸收型光热转换器(5)之间的开关(13)。
2.根据权利要求1所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的导光器(4)的导光率大于95％，导光器形状为纤维、管状、棒状中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的选择吸收型光热转换器(5)，其为可见光吸收率为80％～99％、红外发射率为0.2～0.5的陶瓷复合材料，由选择吸收型光热转换陶瓷与无机增强材料按照体积比2～5:1叠加烧结而成。
4.根据权利要求3所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的选择吸收型光热转换陶瓷，其结构式为：Sm1-xSrxCoO3，其中X的取值范围为0.4～0.55。
5.根据权利要求3所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的无机增强材料为SiC晶须或Si3N4晶须中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的粘结层(6)为无机耐高温胶硅酸盐类、硫酸铝盐类和磷酸铝盐类中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的铝酸盐水泥基复合储热材料(8)由80～94wt％铝酸盐水泥、1～5wt％纳米MgO和5～15wt％功能粉体制备而成；其制备过程为：按上述配比先将铝酸盐水泥和功能粉体混合均匀，形成复合粉体；将纳米MgO、以甲基丙烯酸为主链，羧酸基团和甲氧基聚二乙醇为侧链的聚酯型结构的聚羧酸类减水剂和水搅拌均匀，并加入至复合粉体中，水化形成复合浆体；将水化好的复合浆体置于钢模模具中，22～26小时后脱模，20～25℃温度下置于水中养护6～8天后再在100～110℃温度下烘干22～26小时即可；其中水与复合粉体的水灰比为0.3～0.5。
8.根据权利要求7所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的功能粉体为石墨粉、铜粉中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的一种无流动传质热交换过程的太阳能光热转换及储能装置，其特征在于：所述的聚羧酸类减水剂占复合粉体总质量的1～2wt％。
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