CN104236132A - 一种基于高效储放热单元的中高温太阳能储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高效储放热单元的中高温太阳能储能装置,能够高效利用太阳能,且提供一种结构紧凑,换热效果好,迅速吸收和释放热量,在耐压、耐高温和耐腐蚀方面均具有较好性能的储热单元。装置包括能源产出单元,能源转化利用单元,高温熔盐储热单元。阳光充足时,富余的太阳能储存于储热装置;储存的热能可以产生电能,供工业或日常生活所用。本发明的核心在于中高温熔盐储能单元,可以应用到不同的能源产出单元和能源转化利用单元中,具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术与装备领域,尤其涉及一种基于高效储/放热单元的中高温熔盐储热型太阳能利用系统。
背景技术
进入21世纪,随着化石燃料的日渐枯竭以及环境污染的日益严重,能源问题已经成为制约我国国民经济快速发展的瓶颈。而太阳能洁净无污染、来源广泛,开发太阳能对解决能源问题具有重大意义。太阳能热利用是太阳能利用中的最主要方式,其利用形式具有多样性,按照其介质达到的温度,分为低、中、高温利用。对于太阳能热利用系统,由于太阳辐射的不稳定性以及太阳能利用时间与接收时间的不一致性,储热装置成了太阳能热利用系统的重要组成部分,其所采用的形式及所具有的性能直接决定了太阳能热利用系统的稳定性和中和年综合利用率。
目前主要的熔盐储热能源利用系统没有能够充分考虑太阳辐射随时间的变化特性,整体效率低,由于采用熔盐作为传热工质,在运行时需要预热,还可能由于介质不纯净而出现堵塞的问题,影响传热效果,并且储热系统的储热体换热面积小,储热能力低,在耐压能力、防腐蚀和耐高温方面性能表现也不佳,同时设备结构复杂,维修困难,制造成本高。
目前常见的太阳能中高温双罐熔盐储热系统如图1所以,熔盐经太阳能接受区加热后储存在热盐罐,再由熔盐泵输入蒸汽发生器,实现与水的换热,使水汽化后输入蒸汽涡轮机做功。换热后的熔盐输入冷盐罐,以备再次循环利用。虽然该系统利用熔盐作为传热储热介质实现了太阳能光热利用,但具有换热面积小,储放热速率低,管路系统需要耐腐蚀材料以及成本高等缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的不足,本发明要解决的问题是提供能利用一种基于高效储/放热单元的中高温熔盐储能型的太阳能利用系统,能够高效利用太阳能,且提供一种结构紧凑,换热效果好,储放热速率高,在耐压、耐高温和耐腐蚀方面均具有较好性能的储热单元。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种基于高效储放热单元的中高温太阳能储能装置,由能源产出单元、能源转化利用单元和中高温熔盐储能单元组成;
所述能源产出单元,包括太阳能集热系统;
所述能源转化利用单元,包括蒸发器和涡轮蒸汽机,蒸发器和涡轮蒸汽机连接管道;
所述中高温熔盐储热单元,包括一定数量的储热罐,每个罐内装有储热介质,并且内插有一定数量的高效储放热单元;
所述储热介质可以是质量分数为60%的硝酸钠和40%的硝酸钾,也可以是其它的相变介质;
所述高效储放热单元有储热和蒸发通道,储热通道的流动传热介质选用导热油,每个储热罐内的所有的储热通道的进口和出口安装有阀,并分别用连接管连通,在连接管连通后的管道上安装有阀,每个储热罐连接管连通后的进口和出口管道分别接人能源产出单元导热油管道的出口和进口;蒸发通道的流动传热介质选用蒸汽,每个储热罐内的所有的蒸发通道的进口和出口安装有阀,并分别用连接管连通,在连接管连通后的管道上安装有阀,每个储热罐连接管连通后的进口和出口管道分别接入能源转化利用单元蒸汽管道的出口和进口;
所述高效储放热单元的两个通道的对应的两个盖板,分别钎焊密封连接围成矩形通道,两通道相邻的盖板钎焊成一体;
所述高效储放热单元的储热通道和蒸发通道的进口和出口分别错开一定距离;
所述高效储放热单元的材质可为316不锈钢或316L不锈钢以及其它导热性能和防腐蚀性能佳的材质;
作为改进,储热通道内设有肋片,肋片可以为矩形,多孔,波纹形,肋片排列方式可为横排,纵排或倾斜一定角度;
作为改进,蒸发通道内设有扁管,扁管内壁设有凹槽,凹槽的截面形状可以为半圆形、三角形,矩形,凹槽可以螺旋分布于管内壁,螺旋凹槽与扁管的管轴的夹角为0~15度。
作为改进,可以分别在储热罐的储热介质和能源产出单元的出口管道分布温度计,用来测量储热介质和热导热油的温度;给每个储热罐的储热和蒸发通道的出口和进口分别安装流量控制阀,用来控制传热工质的流量;
作为进一步改进,在所述高效储放热单元的表面设有若干肋片或鳍片,从而强化换热;
优选地,所述太阳能集热系统可以采用槽式聚光系统、塔式聚光系统或者是菲涅尔透镜聚光系统。
优选地,所述能源转化利用单元可以为蒸汽涡轮机发电、多效蒸发海水淡化系统或多级吸收式制冷系统。
本发明的有益效果是:
1.本系统可以用在太阳能热发电、多级海水淡化和吸收式制冷等多方面,且作为独立的储能和供能系统,可以实现独立工作。
2.采用多个储热罐储热可以实现分级储热,使某个储热罐优先达到工作温度,能够更有效的利用太阳能。
3.多个高效储放热单元分别固定在储热罐中,更换某一个坏损的储放热单元更为方便,每个储热/蒸发通道直接采用四个盖板钎焊而成,加工制造更方便,更节省材料,且每个通道进出口上安装有阀,更容易检测出高效储放热单元的坏损情况。
4.高效储放热单元的材料采用316或316L不锈钢,防腐蚀性能和耐高温性能更好,外部设有鳍片,能够增大传热面积,强化传热,储热通道和蒸发通道内部设有肋片和扁管,不仅增大了传热面积,还增大了承压能力,在保证传热效率的前提下也使高效储放热单元的结构更为紧凑。
附图说明
图1是传统熔盐储热太阳能利用系统图。
图2是本发明实施例的系统流程图。
图3是本发明高效储放热单元的结构示意图。
图4是本发明高效储放热单元的空间剖视图。
图5是本发明扁管结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图2所示,本熔盐储热太阳能利用系统流程分为三个部分,分别为能源产出单元101、中高温熔盐储能单元102和能源转化利用单元103。各个部分分别如下所述:
能源产出单元101:在图1所示的流程图中能源产出单元101包括太阳能集热系统104。通过导热油泵111输送到太阳能集热系统104中管道内的导热油被加热,并吸收热量。加热后的导热油可以被输送到能源产出单元103产生高压蒸汽用来工作,也可以被输送到中高温熔盐储能单元102以加热储热罐一112和储热罐二107内的储热介质来储存热能。太阳能集热系统104可以是槽式聚光系统,也可以是塔式或者菲涅尔透镜聚光系统。
中高温熔盐储能单元102:该系统包括储热罐一112和储热罐二107。储热罐内充装有储热介质solar salt 114(质量分数为60%的硝酸钠和质量分数为40%的硝酸钾组成),并分布着一定数量的高效储放热单元113。高效储放热单元113通过固定在储热罐底部和顶部的支架固定,内有两个通道,储热通道和蒸发通道。储热罐一112内的所有的高效储放热单元113的储热通道入口管道117、储热通道出口管道116、蒸发通道入口管道116和蒸发通道出口管道118通过连接管连通,储热罐二107内的通道也如此连接。储热和蒸发通道的出口和入口管道上都安装有阀,用来控制此通道的流通与否。各个连接管连通后的管道也安装有阀,用来控制连接管的流通与否。储热罐一112和储热罐二107内的储热通道出口和入口的连接管分别通过并联连接到中高温熔盐储能单元102,组成储热通道回路,该回路以导热油作为传热工质,导热油在能源产出单元101中吸收热量,输送到中高温熔融盐储能单元102中储热罐内传递热量给储热介质114,导热油释放热量后再输送到储油罐119,再由导热油泵输入集热系统形成循环。在此储热的过程中,可以通过阀来控制导热油流向某个储热罐,从而实现热能的分级储热。储热罐一112和储热罐二107内的蒸发通道出口和入口的连接管分别通过并联连接到能源转化利用单元103,组成蒸发通道的回路,该回路以水蒸汽作为传热工质,由水泵109输送水通过除氧器108除氧,进入储热罐内的蒸发通道蒸发吸热形成高压蒸汽,并输送到蒸汽涡轮机106做功。
能源转化利用单元103:本单元包括有蒸发器105和涡轮蒸汽机106。由能源产出单元101加热的高温导热油输送到蒸发器产生高压蒸汽做功。当能源产出单元101提供的热量不充足时,可以由中高温熔盐储能单元提供。打开储热罐内蒸发通道的阀门,蒸发通道内的水吸收储热介质114所储存的能量蒸发形成高压蒸汽输送到涡轮蒸汽机106做功。蒸汽通过涡轮蒸汽机106做功之后剩余的蒸汽和冷却的水流入储水箱110,实现水的循环利用。导热油输送到蒸发器放热之后,冷却的导热油可以输到能源产出单元101,从而实现导热油的循环利用。
图3为高效储放热单元结构示意图,高效储放热单元113包括鳍片200、储热通道201、蒸发通道204、储热通道入口接管202、储热通道出口接管206、蒸发通道入口接管205、蒸发通道出口接管203。高效储放热单元的空间剖视图如图4所示,储热通道201前后设有盖板207和209,蒸发通道204前后设有盖板210和212。储热通道入口接管202和储热通道出口接管206分别设置在储热通道201上部和底部,蒸发通道入口接管205和蒸发通道出口接管203分别设置在蒸发通道204底部和上部。且通道接管分别在储热/蒸发换热器的前后方向上错开一定距离,以增加流动传热介质在通道内的流动时间来强化传热。盖板207和盖板212上设有肋片200。通道201内部设有纵排的矩形肋片208。肋片200和矩形肋片208增大高效储放热单元的换热面积,而矩形肋片208还增加流体湍动程度,并破坏传热边界层,从而强化传热过程使传热效率更高。通道204内部设有纵排的扁管211,扁管211可以实现在非稳态、不均匀、高能流密度的太阳能流载荷下工作,焊接方便,能承受一定的压力,并且扁管内壁设有凹槽,增大换热面积,强化传热。盖板207和盖板209,盖板210和盖板212以及矩形肋片208和扁管211之间采用真空钎焊方式连接,盖板207、盖板209、盖板210和盖板212设有折弯部分,这是为了方便焊接,同时也可以作为肋片强化传热;储热通道入口接管202、储热通道出口接管206、蒸发通道入口接管205、蒸发通道出口接管203和通道之间采用普通焊接的连接方式。
图5为扁管211结构示意图。扁管内壁设有凹槽,凹槽绕扁管纵向轴呈圆周分布,两相邻凹槽截面圆径向夹角α,本发明中α为10~30度。若凹槽沿扁管轴向螺旋分布,螺旋凹槽与扁管的管轴的夹角β为0~15度,图5是β为0度时的特殊情况。扁管外径Ri和扁管内径Ro根据蒸发通道确定,且扁管壁厚Ri-Ro取3~5毫米。扁管的扁平位置为距中性轴H处,圆形凹槽r取0.5~1.5毫米。
下面将综合描述本实施例中高温太阳能储能装置的工作过程:
如图2所示,能源产出单元101中太阳能集热系统104加热导热油以吸收热量,当太阳光充足时,被加热的导热油一部分进入能源转化利用单元103释放热量做功,一部分通过管道进入中高温熔盐储能单元102,加热高温储热介质114以存储热量。若太阳光不足以在保证能源转化利用单元103正常工作的前提下加热两个储热罐中的高温储热介质114至工作温度,可以通过管道上的阀来控制使导热油流过某一储热罐,以保证有一个储热罐可以正常工作。当太阳光的强度不足以使能源转化利用单元103正常工作时,开启蒸发通道回路,水在蒸发通道中吸收高温储热介质存储的热量蒸发并进入能源转化利用单元103工作。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本发明的核心在于中高温熔盐储能单元,可以运用到不同的能源产出单元和能源转化单元中。本发明的保护范围包括本发明原理和宗旨的前提下任何替换、变型、改进和润饰。
Claims (10)
1.一种基于高效储放热单元的中高温太阳能储能装置,其特征在于:包括能源产出单元,中高温熔盐储能单元,能源转化利用单元;
所述能源产出单元,包括太阳能集热系统;
所述中高温熔盐储能单元,包括一定数量的储热罐,每个罐内装有储热介质,并且内插有若干数量的高效储放热单元;
所述能源转化利用单元,包括蒸发器和涡轮蒸汽机,所述蒸发器和涡轮蒸汽机通过管道连接。
2.根据权利要求1所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述高效储放热单元有两个通道,储热通道和蒸发通道,每个储热罐内的储热通道和蒸发通道的进口和出口安装有阀,分别用连接管连通。
3.根据权利要求1或2所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述高效储放热单元的两个通道分别由两个盖板钎焊而成,两个通道的相邻盖板钎焊成一体;所述高效储放热单元材质为316或316L不锈钢,表面上设有若干肋片和鳍片。
4.根据权利要求1或2所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述储热通道的进口和蒸发通道的出口,以及储热通道的出口和蒸发通道的进口分别在储热/蒸发换热器的前后方向上错开一定距离;所述高效储放热单元的通道内部设有肋片和扁管。
5.根据权利要求1或2所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述储热通道内设有肋片,所述肋片为矩形,多孔,波纹形,肋片排列方式为横排、纵排或倾斜一定角度;所述蒸发通道内设有扁管,扁管内壁设有凹槽,凹槽的截面形状为半圆形、三角形,矩形,凹槽螺旋分布于管内壁,螺旋凹槽与扁管的管轴的夹角为0~15度,凹槽绕扁管纵向轴呈圆周分布,两相邻凹槽截面圆径向夹角为10~30度。
6.根据权利要求1所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述每个储热罐经连接管连通后的储热通道的进口和出口,分别和所述能源产出单元的出口和进口连接;所述每个储热罐经连接管连通后的蒸发通道的进口和出口,分别和涡轮蒸汽机的出口和进口连接。
7.根据权利要求1所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述储热罐的储热介质和能源产出单元的出口管道分布温度计,用来测量储热介质和热导热油的温度;给每个储热罐的储热和蒸发通道的出口和进口分别安装流量控制阀,用来控制传热工质的流量。
8.根据权利要求1所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述能源转化利用单元是利用蒸汽涡轮机发电系统、多级蒸发海水淡化系统或多级吸收式制冷系统。
9.根据权利要求1所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述储热介质是质量分数为60%的硝酸钠和40%的硝酸钾,或者是其它相变介质。
10.根据权利要求1所述的中高温太阳能储能装置,其特征在于:所述太阳能集热系统采用槽式聚光系统、塔式聚光系统或者菲涅尔透镜聚光系统。
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