CN104930729A - 一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，包括通过集热热风管道串联在一起的数组太阳能空气集热器、多组相变储热体单元依次连接组成的相变储热体、用热终端；相变储热体单元包括不锈钢板、平行等距连接于不锈钢板上的数根不锈钢管，不锈钢管内填充添加有质量比为2~4%石墨的无机相变材料或有机相变材料。本发明结构简单，相变储热体与太阳能空气集热器相结合，利用相变储热体的充放热特性，在太阳能充足的情况下储存热量，在太阳能不足时或夜间释放热量，实现太阳能中温在工业应用中的连续供热，满足白天和夜间的热能需求，减少由于传统能源使用而造成的环境污染和PM_2.5等污染物的排放。

Description

一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统

技术领域

本发明涉及一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，属于机械技术领域。

背景技术

太阳能是一种清洁能源，太阳能应用按温度区间划分为低温（40~100℃）、中温（100~250℃）和高温（>250℃），就我国太阳能光热应用领域而言，太阳能高温主要用于太阳能光热发电，中低温可广泛用于工农业烘干用热、食品加工用热、建筑采暖及制冷等，其大规模应用相对较少。

目前，很多工业、农业热能需求在60~220℃之间，所需的能量形式多为空气热能，包括建材工业砌块养护、建材生料预加热、农产品和药材烘干等领域，热源主要由传统化石能源燃烧获得，太阳能中温利用技术在这些领域的应用潜力非常巨大。但是这些加热过程要求供热源稳定、连续，而太阳能受地理、昼夜和季节等规律性变化因素的影响以及阴晴云雨等随机因素的制约，呈现不稳定性和不连续性。为了保证太阳能在工业利用中的稳定性，就需要利用储热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，以满足连续、稳定供应热能的需要。

现有的太阳能中温集热-储热系统大多利用液态介质如导热油等作为传热媒介和储热材料，首先利用太阳能加热液态介质，再利用液态介质加热水产生所需的中温热蒸汽。该过程存在二次换热，大大增加了热损失，效率较低；同时导热油等存在热容小、不稳定、成本高等诸多缺点，因此利用空气作为传热媒介是较好的选择，但是空气的比热小，温度变化剧烈，直接利用无法满足工业应用的稳定性、连续性需求，因此需要设计适用的储热系统。

目前太阳能空气储热领域的研究主要集中在高温利用领域，缺少对中温利用领域的研究。例如专利CN101226035A报道了一种利用气体作为传热介质的太阳能蓄热装置，该装置 采用相变蓄热合金实现高温太阳能利用，并且蓄-放热过程可循环利用千次以上。

专利CN102818468A报道了一种固体储热装置，采用耐火砖、岩石、陶瓷、玻璃、石墨、煤炭、土状石墨、金属、矿石、矿渣、混凝土等其中一种或至少两种的混合物作为固体储热介质。

专利CN102374812A报道了一种太阳能高温相变储热装置，采用石墨/无机盐高温相变复合材料作为储热工质，实现了合理利用能量及储热系统，能够恒温输出工质。

发明内容

本发明提供一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，结构简单、利用相变材料储热实现连续供热的太阳能中温系统。

为解决以上技术问题，本发明提供如下技术方案：一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，包括通过集热热风管道串联在一起的数组太阳能空气集热器、多组相变储热体单元依次连接组成的相变储热体、用热终端；所述数组太阳能空气集热器的一端通过所述集热热风管道连有集热风机，另一端通过所述集热热风管道分别连有储热热风管道、供热热风管道I；所述储热热风管道的一端分别连有储热风机、所述相变储热体单元，另一端与所述供热热风管道I相连；所述相变储热体的另一端设有带储热出风阀的储热出风管，该储热出风管连有供热热风管道II；所述供热热风管道I与所述供热热风管道II均与所述用热终端相连；相变储热体单元包括不锈钢板、平行等距连接于不锈钢板上的数根不锈钢管，不锈钢管内填充添加有2~4%石墨的无机相变材料或有机相变材料。

进一步地，所述相变储热体的一侧下部设有储热体入风口，其另一侧上部设有储热体出风口，每组相变储热体单元等距连接，相变储热体外由储热体保温层包围。

进一步地，所述不锈钢管的外径为1~2cm，内管径为0.5~1cm。每相邻两根不锈钢管间的间距大于等于0.5cm，小于等于2cm。

进一步地，所述集热风机与所述数组太阳能空气集热器相连的所述集热热风管道上设有热流温度计I。

进一步地，所述数组太阳能空气集热器与所述储热热风管道相连的所述集热热风管道上设有热流温度计II。

进一步地，所述相变储热体上设有热流温度计III。

进一步地，所述供热热风管道I上分别设有供热管路风阀、热流温度计IV。

进一步地，所述用热终端上设有热流温度计V。

进一步地，所述供热热风管道II上分别设有热流温度计VI、储热管路风阀，该储热管路风阀靠近所述储热出风管。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、由于本发明中储热单元为内径1~2cm的圆柱状不锈钢管，通过计算分析设计，钢管的排布呈最佳流体力学和热力学模型；同时钢管中填充无机相变材料或有机相变材料，并均匀添加了微量高导热率的材料，因此，相对于传统的固体储热单元，储热密度大，导热系数高，换热速率均匀，热学和力学性能稳定，易于维护，在停用时无需专门处理，且成本低，使用寿命长，适合大规模应用。

2、本发明相变储热体的一侧下部设有储热体入风口，其另一侧上部设有储热体出风口，通过储热热风管道、供热热风管道连接相变储热体和太阳能空气集热器以及用热终端，相变储热体内部的换热通过热流体与管状储热单元之间的热传导换热，为达到完全换热平衡，相变储热体在平行于热流方向长度较长。

3、本发明结构简单，相变储热体与太阳能空气集热器相结合，利用相变储热体的充放热特性，在太阳能充足的情况下储存热量，在太阳能不足时或夜间释放热量，实现太阳能中温在工业应用中的连续供热，满足白天和夜间的热能需求，有效地减少工业生产供热过程中的燃煤用量，减少由于使用传统能源造成的环境污染。

4、本发明利用空气流体作为传热介质，最高温度可达200℃，换热速率快，效率高，成本低，并且直接产生太阳能中温应用所需的空气热能，不存在不同介质间的换热，简化热能的转换和转移过程，减少了热损失，与其它的太阳能蓄热系统相比热效率高。

附图说明

图1为本发明利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统结构示意图；

图2本发明中相变储热体的主视图；

图3本发明中相变储热体的俯视图；

图4本发明中相变储热体的左视图。

图中：1—集热风机 ；2—太阳能空气集热器 ；3—集热管路风阀；4—止回风阀；5—储热风机；6—相变储热体； 7—储热出风阀；8—储热管路风阀；9—供热管路风阀；10—用热终端；11—集热热风管道；12—储热热风管道；13—供热热风管道I；14—储热单元 ；15—储热体保温层；16—储热体入风口；17—储热体出风口；18—供热热风管道II；19—热流温度计I；20—热流温度计II；21—热流温度计III；22—热流温度计IV；23—热流温度计V；24—热流温度计VI。

具体实施方式

如图1所示，利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统包括通过集热热风管道11串联在一起的数组太阳能空气集热器2、相变储热体6、用热终端10。

数组太阳能空气集热器2的一端通过集热热风管道11连有集热风机1，其另一端通过集热热风管道11分别连有储热热风管道12、供热热风管道I13；储热热风管道12的一端分别连有储热风机5、相变储热体6，其另一端与供热热风管道I13相连；相变储热体6的另一端设有带储热出风阀7的储热出风管，该储热出风管连有供热热风管道II18；供热热风管道I13与供热热风管道II18均与用热终端10相连；相变储热体6的一侧下部设有储热体入风口16，其另一侧上部设有储热体出风口17，其内部等距离设有数个储热单元14，其外设储热体保温层15。

如图2—图4相变储热体单元包括不锈钢板、平行等距连接于不锈钢板上的数根不锈钢管，不锈钢管内填充添加有2~4%石墨的无机相变材料或有机相变材料。

所述相变储热体的一侧下部设有储热体入风口16，其另一侧上部设有储热体出风口17，每组相变储热体单元等距连接，相变储热体6外由储热体保温层包围。

储热单元14为不锈钢管，不锈钢管的外径为1~2cm，内管径为0.5~1cm；每相邻两根不锈钢管的间距为大于等于0.5cm，小于等于2cm。

该管中填充添加2~4%石墨的无机相变材料或有机相变材料。通过计算分析设计，管的排布呈最佳流体力学和热力学模型；同时管中填充无机相变材料或有机相变材料，并均匀添加了微量高导热率的材料-石墨，石墨的含量可以为2%、3%或4%，添加后使现有的相变储热体储热密度大，导热系数高，换热速率均匀，且密集的排布利于储热，兼顾传热和保温两个方面，以达到二者最大的均衡点。该相变储热体热学和力学性能稳定，易于维护，在停用时无需专门处理，且成本低，使用寿命长，适合大规模地利用。熔化潜热高，使其在相变中能贮藏或放出较多的热量；相变过程可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少；导热系数大，密度大，比热容大；相变材料无毒，无腐蚀性，成本低，制造方便。

其中：集热风机1与数组太阳能空气集热器2相连的集热热风管道11上设有热流温度计I19。

数组太阳能空气集热器2与储热热风管道12相连的集热热风管道11上设有热流温度计II20。

储热热风管道12上设有集热管路风阀3，且靠近储热风机5处设有止回风阀4。

相变储热体6上设有热流温度计III21。

供热热风管道I13上分别设有供热管路风阀9、热流温度计IV22。

用热终端10上设有热流温度计V23。

供热热风管道II18上分别设有热流温度计VI24、储热管路风阀8，该储热管路风阀8靠近所述储热出风管。

本发明工作过程分为充热供热阶段和放热供热阶段：

充热和供热阶段：白天，打开集热风机1和供热管路风阀9，太阳能空气集热器2吸收太阳能，加热由集热风机1通入的冷空气流体。产生的热空气流体通过集热热风管道11和供热热风管道I13进入用热终端10。当热流体温度高于80℃时，打开集热管路风阀3，热流体通过储热热风管道12进入相变储热体6，与相变储热材料进行热交换，对相变储热体6进行充热。当储热体出风口17的热流温度计VI24测得的温度高于用热终端10所需温度时，储热出风阀7关闭，储热管路风阀8打开，中温热空气流体通过供热热风管道II18进入用热终端10；当储热体出风口17的热流温度计VI24测得的温度低于用热终端10所需温度时，储热管路风阀8关闭，储热出风阀7打开。

放热和供热阶段：夜间，关闭集热风机1和集热管路风阀3，打开储热风机5，将冷空气流体送入相变储热体6，与相变储热材料进行热交换。关闭储热出风阀7、打开储热管路风阀8，加热后的热空气流体通过供热热风管道II18进入用热终端10，在夜间实现持续供热。

实施例1

将本发明用于建材砌块养护生产过程。系统组成与上述实施方式相同，集热系统由16组太阳能空气集热器2组成，每两组串联后再并联，形成单向循环系统。储热材料使用有机相变材料添加3%的石墨。用热终端10为砌块养护室。

白天利用太阳能空气集热器2中加热传热介质——空气，通过储热热风管道11、供热热风管道I13、供热热风管道II18，使被加热的传热介质进入相变储热体6中进行充热。高温热空气进入到相变储热体6中与相变储热单元14进行热传导，将热量传给相变储热体6。从相变储热体6中出来的中温热空气，进入到砌块养护室中，对砌块进行养护。

夜间，通过储热风机5使传热介质进入相变储热体6中，与相变储热体6中的储热单元14进行换热，通过储热材料的相变放热过程，提取储热单元14中的热量，使从相变储热体6中流出的传热介质达到一定温度，成为中温热空气。中温热空气再通过供热热风管道II18进入用热终端10换热器中，与砌块养护室的低温环境进行换热，持续提供砌块养护所需的热能，从而满足夜间的供热需求。通过相变储热体6的充放热，可以实现利用太阳能提供的热量来满足白天与夜间的热能需求。

本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的限制，凡是在本发明构思的精神和原则之内，本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，包括通过集热热风管道串联在一起的数组太阳能空气集热器、多组相变储热单元依次连接组成的相变储热体、用热终端；所述数组太阳能空气集热器的一端通过所述集热热风管道连有集热风机，另一端通过所述集热热风管道分别连有储热热风管道、供热热风管道I；所述储热热风管道的一端分别连有储热风机、所述相变储热体单元，另一端与所述供热热风管道I相连；所述相变储热体的另一端设有带储热出风阀的储热出风管，该储热出风管连有供热热风管道II；所述供热热风管道I与所述供热热风管道II均与所述用 热终端相连；其特征在于，相变储热体单元包括不锈钢板、平行等距连接于不锈钢板上的数根不锈钢管，不锈钢管内填充添加有2~4%石墨的无机相变材料或有机相变材料。

2.根据权利要求1所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述相变储热体的一侧下部设有储热体入风口，另一侧上部设有储热体出风口，每组相变储热体单元等距连接，相变储热体外由储热体保温层包围。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述不锈钢管的外径为1~2cm，内管径为0.5~1cm。

4.根据权利要求3所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，每相邻两根不锈钢管的间距大于等于0.5cm，小于等于2cm。

5.根据权利要求1所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述集热风机与所述数组太阳能空气集热器相连的所述集热热风管道上设有热流温度计I。

6.根据权利要求1所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述数组太阳能空气集热器与所述储热热风管道相连的所述集热热风管道上设有热流温度计II。

7.根据权利要求1所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述相变储热体上设有热流温度计III。

8.根据权利要求1所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述供热热风管道I上分别设有供热管路风阀、热流温度计IV。

9.根据权利要求1所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述用热终端上设有热流温度计V。

10.根据权利要求1所述的一种利用相变材料储热的太阳能中温热空气系统，其特征在于，所述供热热风管道II上分别设有热流温度计VI、储热管路风阀，该储热管路风阀靠近所述储热出风管。