CN104713397A - 一种固体储热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种固体储热系统，所述固体储热系统实施无支架整体自支撑布置，包括多个具有独立自支撑结构，且在高度方向上叠加的储热单元；所述储热单元包括规则形状的固体储热介质、固体储热介质中布置的换热管道、储热单元外部的包覆层以及它们三者之间的缝隙填充的液态导热材料；所述换热管道包括金属管和金属管外部布置的散热管；所述散热管包括基管和翅片，其中所述基管与金属管之间紧密接触；翅片布置于基管上。本发明的固体储热系统具有整体自支撑能力，加工简单、成本低廉；固体储热介质具有良好的换热效率、优良的储热性能，可应用于各种储热应用中，特别是太阳能光热利用系统。

Description

一种固体储热系统
技术领域
本发明涉及一种储热系统，尤其涉及一种太阳能光热利用系统中的储热系统。
背景技术
太阳能是比较理想的新能源，但利用上却存在时效性问题，日照期间所接受的能量超过所需，日落之后却无法发挥作用。因而如何把日照时多余的能量储存起来，以用于日落后系统的持续运行，即取有余以补不足，成为实现太阳能热利用装置连续运行的关键问题。
目前太阳能储存技术中使用的蓄热材料分为：显热型、潜热型和化学反应型3大类，应用较广泛的为显热型和潜热型，主要有导热油、耐高温混凝土、无机盐等。导热油在高温时，易引发火灾，易老化，价格昂贵；耐高温混凝土作为蓄热的固体热媒一直被看好，其蓄热成本大约为$1/kWhthermal（每千瓦时蓄热1美元），有很好的应用前景，安全稳定，成本低廉，但存在导热系数较低，换热管道数量多，温度持续下降，无法获得较高的参数等不足；换热管道与固体材料间由于膨胀系数不同，会在反复升温降温后出现材料破坏或裂缝，对换热效果和使用寿命均产生不良影响；无机盐作为蓄热材料的使用多是利用其较大的相变潜热，但相变材料在储热过程中发生相变，由于体积的变化，容易发生泄漏的隐患。
太阳能储存技术中使用的蓄热按照换热方式分为：通过式换热和原位换热两种方式。在通过式蓄热中，管式换热器被嵌入在铸造陶瓷或混凝土中，高温液体由泵推动从中流过进行蓄热，低温液体从中流过进行取热。Herrmann和Kearney 2002年曾得出：以混凝土为固体热媒、导热油为液体热媒、钢管作换热器的蓄热系统，在1994年的蓄热成本大约为$40/kWhthermal。Laing等在2006年进行了这种蓄热系统的实验，其工作温度上限为325℃，蓄热成本大约为$32/kWhthermal。此外，Laing还进行了用铸造陶瓷作为固体热媒的实验。尽管陶瓷不会产生开裂，但是混凝土产生的最小裂纹相比更小，同时混凝土的成本和强度使其比铸造陶瓷更适合作为固体热媒。Tamme等在2004年使用计算机模型对通过式蓄热中各项参数的影响进行了研究，得出优化后的系统效率可大幅提高。通过式换热技术还包括，常见的双罐技术和斜温层技术，在单罐斜温层蓄热系统中，高温和低温热媒储存在同一个罐子中，使用固体热媒以减少液体热媒的最小用量。高温区和低温区通过液体热媒温度梯度产生的自然浮力分割开（热流体的密度比冷流体低，处在容器的上部）。目前已知的大部分系统都采用固体填料层，其材料包括石英砂，石英岩或者其它细砂石，但反复的加热循环会使填料沉积到容器底部，导致容器壁面产生破坏性的破裂；原位换热技术通常采用的是在混凝土储热介质中布置存热和取热换热管道，换热管道外部不布置液态介质的技术；但由于混凝土储热介质与换热管道的膨胀系数不一致，反复加热循环会在混凝土储热介质与换热管道之间形成缝隙，渗透到该缝隙的空气，减弱了储热介质与换热管道之间的热交换，导致储热效率较低。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种低成本、结构简单、运行可靠、能高效实现热能高品位利用的一种固体储热系统，该系统可应用于各种储热应用系统，特别是太阳能热利用系统。
本发明提供了一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热系统实施无支架整体自支撑布置，包括多个具有独立自支撑结构，且在高度方向上叠加的储热单元；所述储热单元包括规则形状的固体储热介质、固体储热介质中布置的换热管道、储热单元内部填充的液态导热材料及储热单元外部的包覆层；所述液态导热材料在储热单元中仅填充固体储热介质、换热管道、外部包覆层三者之间的缝隙，不参与通过式换热，用于改善换热管道与固体储热介质之间的热传导效果；所述换热管道包括金属管和金属管外部布置的散热管；所述散热管包括基管和翅片，其中所述基管与金属管之间紧密接触；翅片布置于基管上，所述散热管的基管和翅片材料优选为耐腐蚀且导热良好的材料，例如铜、铝或铝合金材质。
进一步地，所述固体储热介质为花岗岩、玄武岩、石英岩、磷石灰、刚玉、玻璃、混凝土。
进一步地，所述固体储热介质为规则形状的长方体、菱形体、圆柱体。
进一步地，所述固体储热介质表面开槽或者固体储热介质贯穿穿孔，形成换热管道槽或换热管道孔。
优选地，所述固体储热介质上、下面分别开半圆槽，多个固体储热介质高度方向上叠加，相邻的两个半圆槽合并形成柱状换热管道槽。
进一步地，所述液态导热材料为无机盐、液态金属或导热油，以改善换热管路、翅片与固体储热介质之间的导热接触，减少热阻。
优选地，所述无机盐为硝酸钠、硝酸钠和硝酸钾混合物、硝酸钠和硝酸钾和硝酸钙的混合物。
进一步地，所述包覆层为带盖的金属外壳层，优选为耐所述液态导热材料腐蚀、性能好的金属，如碳钢（采用导热油为导热材料时选用的金属外壳材料）、不锈钢、铝或铝合金等。
优选地，在所述包覆层内部空间充满保护性气体或惰性气体，如氮气、氩气、二氧化碳等，以保护固体储热介质和液态导热材料免受空气中的氧气等成分的影响，避免或减缓其氧化变质。
进一步地，相邻储热单元之间在高度方向上布置缓冲层，防止固体储热介质和包覆层之间以及相邻储热单元的包覆层之间产生摩擦或滑动损伤。
进一步地，多个所述储热单元在高度方向上相互交错层叠布置，提高储热系统的整体强度，具有防震保安全的作用。
进一步地，所述固体储热系统实施整体外部保温。
进一步地，所述固体储热单元的高度小于3m，可减弱储热单元外部包覆层承受的压力，可使用很薄的壁厚，节省材料、运行安全。
本发明通过在换热管道与廉价固体储热介质缝隙内填充液态导热材料，使固体储热介质与换热管道之间实现良好的膨胀匹配，接触良好，长期使用也不会产生缝隙，避免了传统储热系统中换热管道与储热介质膨胀系数不一致而导致的换热效率较低的问题，进而可保证固体储热介质与换热管道间的良好接触，具有较好的导热效果和较高的储热效率。另外，单个储热单元的高度尺寸较小，液态导热材料对其包覆层产生的压力很低，从而可使用很薄壁厚的包覆层，节省材料、运行安全。
附图说明
下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明，附图中：
图1是本发明的储热系统阵列示意图；
图2为图1储热系统中储热单元的结构示意图；
图3是图2储热单元内部的固体储热介质的结构示意图；
图4为换热管道的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步的说明。
图1是本发明的储热系统阵列示意图。如图1所示，固体储热系统1包括多个在高度方向上叠加、且具有独立自支撑结构的储热单元，例如储热单元101、储热单元102，所述储热单元包括规则形状的固体储热介质、固体储热介质中布置的换热管道，例如换热管道103、储热单元内部填充的液态导热材料及储热单元外部的包覆层；所述液态导热材料在储热单元中仅填充固体储热介质、换热管道、外部包覆层三者之间的缝隙，不参与通过式换热，用于改善换热管道与固体储热介质之间的热传导效果。多个储热单元在高度方向上相互交错层叠布置，提高了储热系统的整体强度，具有防震保安全的作用。进一步地，所述储热单元外部有包覆层，且相邻所述储热单元之间在高度方向上布置缓冲层，该缓冲层耐高温，表面较软，可有效保护各储热单元外部的包覆层不受损伤，另外，此缓冲层可以为具有低导率的绝热层，以利形成温度梯度。所述固体储热系统1中包括多个在高度方向上层叠堆积的储热单元和一定数量的在储热单元之间间隔布置的缓冲层，所述缓冲层将各个储热单元的储热区分开，以形成各储热单元的不同区域上的显著温度梯度，良好地保证了各储热单元内部的储存和输出的热量高品位。所述固体储热系统的外面包裹隔热保温层，实施整体外部保温，避免储热系统向环境的热损失，提高所述固体储热系统的储热效率。
一个实施例尺寸为：储热单元尺寸为3020mm*920mm*1045mm；水平方向上同层布置3个储热单元，形成3020mm*3020mm*1100mm（储热单元与储热单元之间具有安装缝隙，并考虑管道膨胀长度）的单层结构；高度方向上16层储热单元相互交错叠加布置，形成3020mm*3020mm *17600mm的固体储热系统整体，可提高固体储热系统的整体强度，具有防震保安全的作用。
图2为图1储热系统中储热单元的结构示意图，如图2所示，储热单元包括规则形状的固体储热介质201、固体储热介质201中布置的换热管道202及储热单元外部包覆层203，固体储热介质201、换热管道202及包覆层203三者之间的缝隙填充的液态导热材料。
每个固体储热介质201内有供换热流体经过的换热管道202，多个固体储热介质201沿高度方向上平行层叠堆积，在储热单元内部形成上下层串联的换热管道202；在换热管道202和固体储热介质201的缝隙内填充液态导热材料，换热管道202内的换热流体可为高温导热油、熔融盐、高压水及饱和或过热蒸汽等。固体储热系统在储热过程中，换热管道202内的高温流体通过管壁将热量传递到换热管道202与固体储热介质201缝隙内的液态导热材料，并进一步将热量传递给固体储热介质201。所述液态导热材料为无机盐、液态金属或导热油，以改善换热管路202及翅片与固体储热介质201之间的导热接触，减少热阻。无机盐可以为硝酸钠、硝酸钠和硝酸钾混合物、硝酸钠和硝酸钾和硝酸钙的混合物等导热材料，其与换热管道202之间实现良好的膨胀匹配，具有良好的接触，长期使用也不会产生缝隙，进而可保证固体储热介质201与换热管道202间的良好接触，具有较好的导热效果，从而提高系统的储热效率。
另外，包覆层203为带盖的金属外壳层，优选为耐液态导热材料腐蚀、性能好的金属，如碳钢（采用导热油为导热材料时选用的金属外壳材料）、不锈钢、铝或铝合金等。包覆层203需要承受一定高度的液体压力，例如，熔盐的密度为2000kg/m3，1m高的储热单元，熔盐流动过程中对外壳层产生的压力相当于2个大气压，优选地，所述固体储热单元的高度小于3m；在一个实施例中，储热单元2的尺寸为3020mm*920mm*1045mm，选择高度为1045mm的储热单元，一方面为了与市场常见板材相匹配，便于裁剪、焊接，从而方便加工制作储热单元外部的包覆层203；另一方面，该储热单元的高度尺寸较小，液态导热材料对外部包覆层203产生的压力很低，可使用很薄的壁厚，节省材料、运行安全。进一步地，在所述包覆层203内部空间充满保护性气体或惰性气体，如氮气、氩气、二氧化碳等，以保护固体储热介质和液态导热材料免受空气中的氧气等成分的影响，避免或减缓其氧化变质。
图3是图2储热单元内部的固体储热介质的结构示意图，如图3所示，单个固体储热介质301的上、下面分别开半圆槽，例如半圆槽302，该半圆槽302与之相邻紧密布置的固体储热介质表面的半圆槽形成柱状的换热管道槽；固体储热介质表面可以布置多个半圆槽，相邻固体储热介质之间形成多个换热管道槽，并在多个换热管道槽内分别布置换热管道，可以获得小的横截面积和大的换热表面积，且在换热管道槽内填充液态导热材料。在工作过程中，液态导热材料一直处于流动状态，填充换热管道与固体储热介质的缝隙，避免了传统储热系统中换热管道与储热介质膨胀系数不一致而导致的换热效率较低的问题，进而可保证固体储热介质与换热管道间的良好接触，具有较好的导热效果。
所述固体储热介质为花岗岩、玄武岩、石英岩、磷石灰、刚玉、玻璃、混凝土，由于其导热好、比热容较大、孔隙率低、密度高、性质稳定、材料来源广泛、成本较低，特别适合优选作为固体储热介质；所述固体储热介质为规则形状的长方体、菱形体、圆柱体；所述储热介质具有一定的尺寸，例如920mm×400mm×95mm，该尺寸的石块比较常见，方便运输和加工，制作成本低；另外为了方便加工制作储热单元外部包覆层，选择市场常见板材，例如1500*3000mm，方便折弯、焊接。
图4为换热管道的结构示意图，如图4所示，所述换热管道包括金属管401和金属管外部布置的散热管；所述散热管包括基管402和翅片403，其中所述基管402与金属管401之间紧密接触；翅片403布置于基管402上，所述散热管的基管和翅片材料优选为耐腐蚀且导热良好的材料，例如铜、铝或铝合金材质，可增加换热管道的外表面积，提高换热效率。
显而易见，在不偏离本发明专利的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明专利可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明专利所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。

Claims (14)

1.一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热系统实施无支架整体自支撑布置，包括多个具有独立自支撑结构，且在高度方向上叠加的储热单元；所述储热单元包括规则形状的固体储热介质、固体储热介质中布置的换热管道、储热单元内部填充的液态导热材料及储热单元外部的包覆层；所述液态导热材料在储热单元中仅填充固体储热介质、换热管道、外部的包覆层三者之间的缝隙，不参与通过式换热；所述换热管道包括金属管和金属管外部布置的散热管；所述散热管包括基管和翅片，其中所述基管与金属管之间紧密接触；翅片布置于基管上。
2.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热介质为花岗岩、玄武岩、石英岩、磷石灰、刚玉、玻璃、混凝土。
3.根据权利要求2所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热介质为规则形状的长方体、菱形体、圆柱体。
4.根据权利要求3所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热介质表面开槽或者固体储热介质贯穿穿孔，形成换热管道槽或换热管道孔。
5.根据权利要求4所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热介质上、下面分别开半圆槽，多个固体储热介质高度方向上叠加，相邻的两个半圆槽合并形成柱状换热管道槽。
6.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述液态导热材料为无机盐、液态金属或导热油。
7.根据权利要求6所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述无机盐为硝酸钠、硝酸钠和硝酸钾混合物、硝酸钠和硝酸钾和硝酸钙的混合物。
8.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述包覆层为带盖的耐所述液态导热材料腐蚀的金属外壳层。
9.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，相邻储热单元之间在高度方向上布置缓冲层。
10.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，多个所述储热单元在高度方向上相互交错层叠布置。
11.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热系统实施整体外部保温。
12.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述包覆层内部空间充满保护性气体或惰性气体。
13.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热单元的高度小于3m。
14.根据权利要求1所述的一种固体储热系统，其特征在于，所述基管和翅片材料为铜、铝或铝合金。
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