CN105157251A - 一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置 - Google Patents

一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置，包括换热材料提供单元、高温换热器、相变换热单元及低温换热器。换热材料提供单元存储有第一换热材料，并分别向高温换热器及低温换热器提供第一换热材料；高温换热器使第一换热材料与外界的工质进行第一热交换；相变换热单元存储有第二换热材料，并使第二换热材料与工质进行第二热交换；低温换热器使第一换热材料与工质进行第三热交换。本发明能大幅提高蓄热效率，从而提高整个太阳能系统热电效率。

Description

一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置
技术领域
本发明属于工程热物理领域，尤其涉及一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置。
背景技术
太阳能热发电系统相对于光伏发电最大的优势是蓄热相对于蓄电更方便和便宜，便于太阳能这种间歇能源在多云及夜间的连续运行。因此，太阳能热发电更适用于太阳能大规模的应用。太阳能直接蒸发系统用水/蒸汽作为工质代替传统导热油工质，摒弃了再次换热系统，节省了成本而且突破了导热油工质最高温度不超过400℃的限制，大大提高了太阳能热电效率。相对于导热油为工质的传统太阳能蓄热采用显热形式，直接蒸发系统涉及相变，只有采用相应的相变蓄热才能大幅提高蓄热效率，从而提高整个太阳能系统热电效率。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述问题，本发明提供一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置，能大幅提高蓄热效率，从而提高整个太阳能系统热电效率。
(二)技术方案
本发明提供一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置，包括换热材料提供单元、高温换热器、相变换热单元及低温换热器，其中：
换热材料提供单元存储有第一换热材料，并分别向高温换热器及低温换热器提供第一换热材料；
高温换热器使第一换热材料与外界的工质进行第一热交换；
相变换热单元存储有第二换热材料，并使第二换热材料与工质进行第二热交换；
低温换热器使第一换热材料与工质进行第三热交换。
(三)有益效果
本发明采用液态铅铋合金代替常用蓄热装置的固定式熔融岩介质，流动的液态铅铋大幅提高了换热效率，而且铅铋的熔化温度为125℃远低于多数熔融岩的熔化温度，可最大程度地将加热水热量传递给被加热水，从而大幅提高蓄热装置效率。另外，由于中间箱的存在，进入高温换热器液态铅铋的流量可以进行调节，以便适应蒸汽/水因为比热不同带来的热容流率的不同，从而大幅提高蓄热效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的太阳能直接蒸发系统的蓄热示意图。
图2是本发明实施例提供的用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置的蓄热过程的示意图。
图3是本发明实施例提供的用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置的放热过程的示意图。
图4(a)是在无中间箱调节流量的情况下，蓄热装置放热过程温度与换热量的关系。
图4(b)是在有中间箱调节流量情况下，蓄热装置放热过程温度与换热量的关系。
图5是蓄热效率与质量流率比的关系示意图。
具体实施方式
本发明提供一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置，包括换热材料提供单元、高温换热器、相变换热单元及低温换热器。换热材料提供单元存储有第一换热材料，并分别向高温换热器及低温换热器提供第一换热材料；高温换热器使第一换热材料与外界的工质进行第一热交换；相变换热单元存储有第二换热材料，并使第二换热材料与工质进行第二热交换；低温换热器使第一换热材料与工质进行第三热交换。
根据本发明的一种实施方式，工质为水和/或蒸汽，其中，在蓄热过程中，工质从太阳能直接蒸发系统加热完毕后，变为过热蒸汽，在相变蓄热装置中进行三次热交换，依次变为饱和蒸汽、饱和水及未饱和水，在放热过程中，未饱和水在相变蓄热装置中进行三次热交换，依次变为饱和水、饱和蒸汽及过热蒸汽。
根据本发明的一种实施方式，在蓄热过程中，高温换热器将过热蒸汽与第一换热材料进行热交换，得到饱和蒸汽，相变换热单元将饱和蒸汽与第二换热材料进行热交换，得到饱和水，低温换热器将饱和水与第一换热材料进行热交换，得到未饱和水。在放热过程中，低温换热器将未饱和水与第一换热材料热交换，得到饱和水，相变换热单元将饱和水与第二换热材料进行热交换，得到饱和蒸汽，高温换热器将饱和蒸汽与第一换热材料进行热交换，得到过热蒸汽。
根据本发明的一种实施方式，换热材料提供单元包括热箱、冷箱及中间箱，其分别存储有所述第一换热材料，其中，热箱与高温换热器连接，冷箱与低温换热器连接，中间箱分别与高温换热器与低温换热器连接。在蓄热过程中，中间箱向高温换热器提供第一换热材料，高温换热器将工质与该第一换热材料进行热交换后，将受热后的第一换热材料存储于热箱；同时，冷箱向低温换热器提供第一换热材料，低温换热器将工质与该第一换热材料进行热交换后，将受热后的第一换热材料存储于所述中间箱。在放热过程中，中间箱向低温换热器提供第一换热材料，低温换热器将工质与该第一换热材料进行热交换后，将冷却后的第一换热材料存储于冷箱；同时，热箱向高温换热器提供第一换热材料，高温换热器将所述工质与该第一换热材料进行热交换后，将冷却后的第一换热材料存储于中间箱。由于中间箱的存在，可以调节铅铋从中间箱到热箱的质量流率，以便适用蒸汽/水因为比热不同带来的热容流率的不同，从而大幅提高蓄热效率。定义铅铋从中间箱到热箱的质量流率与铅铋从冷箱到中间箱的质量流率之比为铅铋质量流率比，那么，铅铋质量流率比可为0～1。
根据本发明的一种实施方式，第一换热材料为液态铅铋合金，液态铅铋合金的熔点温度为125℃，而沸点高达1670℃，该特性使液态铅铋非常适用于未饱和水及过热蒸汽的显热存储。采用液态铅铋代替常用蓄热装置的固定式熔融岩介质，流动的液态铅铋大幅提高了换热效率，而且铅铋的熔化温度为125℃远低于多数熔融岩的熔化温度，可最大程度地将加热水热量传递给被加热水，从而大幅提高蓄热装置效率。
根据本发明的一种实施方式，第二换热材料为硝酸钠，硝酸钠熔点温度为306℃，相当于水在10MPa下的沸腾温度，因此很适用于作为10MPa左右水相变蓄热材料。蓄热时蒸汽工作压力为10.7MPa，对应的饱和温度为316℃；放热时，蒸汽工作压力为8.0MPa，对应的饱和温度为295℃，这样饱和水/蒸汽与硝酸钠存在10℃左右的温差，便于蓄热和放热。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1是本发明实施例提供的太阳能直接蒸发系统的蓄热示意图，如图1所示，白天阳光充足时，从太阳能镜场中出来的过热蒸汽一部分进入汽轮机用于做功发电，一部分通过蓄热装置将为热量储存起来，两部分冷却后的未饱和水重新进入太阳能镜场受热变为过热蒸汽。
图2是本发明实施例提供的用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置的蓄热过程的示意图，如图2所示，相变蓄热装置包括热箱、中间箱、冷箱、高温换热器、固定式的相变换热单元及低温换热器。热箱、中间箱及冷箱中存储有液态铅铋合金，液态铅铋合金的熔点温度为125℃，而沸点高达1670℃，该特性使液态铅铋非常适用于未饱和水及过热蒸汽的显热存储。相变换热单元中存储有硝酸钠，硝酸钠熔点温度为306℃，相当于水在10MPa下的沸腾温度，因此很适用于作为10MPa左右水相变蓄热材料。蓄热时蒸汽工作压力为10.7MPa，对应的饱和温度为316℃；放热时，蒸汽工作压力为8.0MPa，对应的饱和温度为295℃，这样饱和水/蒸汽与硝酸钠存在10℃左右的温差，便于蓄热和放热。
相变蓄热装置在蓄热时，太阳能直接蒸发系统输入过热蒸汽，中间箱中的液态铅铋向高温换热器流动，过热蒸汽在高温换热器中与液态铅铋进行热交换，吸收了过热蒸汽热量后的液态铅铋流入至热箱中，以供放热时应用。被冷却到饱和蒸汽的工质进入相变材料区域，放出的相变潜热用于熔化硝酸钠，两者传热温差为10℃左右。同时，冷箱冷中的液态铅铋向低温换热器流动，凝成饱和水的工质进入低温换热器与液态铅铋进行热交换，换热后的未饱和水重新进入太阳能直接蒸发系统受热。在冷箱中受热后的液态铅铋进入中间箱存储或进一步进入高温换热器换热。为了避免液态铅铋凝固，水/蒸汽从低温换热器出来温度不低于200℃，冷箱中温度不低于180℃，而且配备辅助热源。
图3是本发明实施例提供的用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置的放热过程的示意图，如图3所示，放热时，中间箱中的液态铅向低温换热器流动，工作压力为8.0MPa的未饱和水进入低温换热器与中液态铅铋进行热交换，冷却后的液态铅铋存储于冷箱中；未饱和水在低温换热器中受热变成饱和水，进入含有硝酸钠的相变换热单元。熔化后的硝酸钠凝固释放出潜热，凝固温度为306℃，饱和水沸腾温度为295℃，这样有11℃左右温差，从而有效进行热交换。饱和水受热变成饱和蒸汽，热箱中的高温液态铅向高温换热器流动，饱和蒸汽进入高温换热器与高温液态铅铋进行热交换，变成过热蒸汽从而进入汽轮机做功发电。热箱中高温液态铅铋冷却后进入中间箱，与原中间箱的铅铋混合后进入冷箱或存储于中间箱，从而完成蓄热装置的放热过程。
本实施例在蓄热过程中，通过中间箱可以调节铅铋从中间箱到热箱的质量流率，本实施例设定铅铋从中间箱到热箱的质量流率与铅铋从冷箱到中间箱的质量流率之比为铅铋质量流率比为0.6，在从冷箱到中间箱的质量流率为20kg/s，则铅铋从中间箱到热箱的质量流率为12kg/s，其中，工质的质量流率为0.6kg/s。
图4(a)为在无中间箱调节流量的情况下，蓄热装置放热过程温度与换热量的关系，图4(b)为在有中间箱调节流量情况下，蓄热装置放热过程温度与换热量的关系，如图4(a)所示，液态铅铋比热基本固定，而水和蒸汽的比热变化较大，因此水和蒸汽换热阶段的温差分布比较不均匀，图4(a)中过热蒸汽出口温度约为450℃，过热蒸汽阶段的热负荷占水/蒸汽受热负荷的14％左右。图4(b)是经过中间箱对铅铋质量流率进行调节，设定质量流率比为0.6后温度与热负荷的变化关系。对比图4(a)与图4(b)，相变阶段的热负荷固定，而且相变温度固定，因此工质受热后的做功能力主要取决于过热阶段的受热情况，也直接决定蓄热装置的效果。图4(b)中过热蒸汽换热占水/蒸汽总受热的22％左右，出口温度约500℃，都远高于无中间箱调节的图4(a)的结果。
图5为蓄热效率与质量流率比的关系示意图，本实施例中，铅铋质量流率为20kg/s，被加热水/蒸汽质量流率0.6kg/s，蓄热时过热蒸汽入口温度为673.7℃，蓄热时过热蒸汽质量流率为与0.6kg/s，如图5中热效率曲线与火用效率，其中，热效率是指放热时被加热水/蒸汽吸收热量与蓄热时加热水放出热量之比，火用效率是指放热时被加热水/蒸汽获得火用与蓄热时加热水释放火用之比。图5表明存在最佳的质量流率比，使蓄热装置的热效率和火用效率达到最大，通过质量流率的调节可使理论热效率超过90％，而使火用效率超过85％，显示了蓄热装置的高性能以及潜在的应用前景。
需要说明的是，本发明的相变蓄热装置除了文中所提到的部件外，还包括如泵、阀门等其他部件，虽然这些部件在实际应用是必要的，但这些部件均为本领域蓄热装置所熟知常用部件，故在本文中不加赘述。
综上所述，本发明采用液态铅铋合金代替常用蓄热装置的固定式熔融岩介质，流动的液态铅铋大幅提高了换热效率，而且铅铋的熔化温度为125℃远低于多数熔融岩的熔化温度，可最大程度地将加热水热量传递给被加热水，从而大幅提高蓄热装置效率。另外，由于中间箱的存在，进入高温换热器液态铅铋的流量可以进行调节，以便适应蒸汽/水因为比热不同带来的热容流率的不同，从而大幅提高蓄热效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于太阳能直接蒸发系统的相变蓄热装置，其特征在于，包括换热材料提供单元、高温换热器、相变换热单元及低温换热器，其中：
所述换热材料提供单元存储有第一换热材料，并分别向所述高温换热器及低温换热器提供所述第一换热材料；
所述高温换热器使所述第一换热材料与外界的工质进行第一热交换；
所述相变换热单元存储有第二换热材料，并使所述第二换热材料与所述工质进行第二热交换；
所述低温换热器使所述第一换热材料与所述工质进行第三热交换。
2.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述工质为水和/或蒸汽。
3.根据权利要求2所述的相变蓄热装置，其特征在于，在蓄热过程中，所述高温换热器将过热蒸汽与所述第一换热材料进行热交换，得到饱和蒸汽，所述相变换热单元将所述饱和蒸汽与所述第二换热材料进行热交换，得到饱和水，所述低温换热器将所述饱和水与所述第一换热材料进行热交换，得到未饱和水。
4.根据权利要求2所述的相变蓄热装置，其特征在于，在放热过程中，所述低温换热器将未饱和水与所述第一换热材料进行热交换，得到饱和水，所述相变换热单元将所述饱和水与所述第二换热材料进行热交换，得到饱和蒸汽，所述高温换热器将所述饱和蒸汽与所述第一换热材料进行热交换，得到过热蒸汽。
5.根据权利要求2所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述换热材料提供单元包括热箱、冷箱及中间箱，其分别存储有所述第一换热材料，其中，所述热箱与所述高温换热器连接，所述冷箱与所述低温换热器连接，所述中间箱分别与所述高温换热器与低温换热器连接。
6.根据权利要求5所述的相变蓄热装置，其特征在于，在蓄热过程中，所述中间箱向所述高温换热器提供第一换热材料，所述高温换热器将所述工质与该第一换热材料进行热交换后，将受热后的第一换热材料存储于所述热箱；同时，所述冷箱向所述低温换热器提供第一换热材料，所述低温换热器将所述工质与该第一换热材料进行热交换后，将受热后的第一换热材料存储于所述中间箱。
7.根据权利要求5所述的相变蓄热装置，其特征在于，在放热过程中，所述中间箱向所述低温换热器提供第一换热材料，所述低温换热器将所述工质与该第一换热材料进行热交换后，将冷却后的第一换热材料存储于所述冷箱；同时，所述热箱向所述高温换热器提供第一换热材料，所述高温换热器将所述工质与该第一换热材料进行热交换后，将冷却后的第一换热材料存储于所述中间箱。
8.根据权利要求6或7所述的相变蓄热装置，其特征在于，通过所述中间箱，使得该第一换热材料从该中间箱到该热箱的质量流率与该第一换热材料从该冷箱到该中间箱的质量流率之比为0～1。
9.根据权利要求1所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述第一换热材料为液态铅铋合金。
10.根据权利要求2所述的相变蓄热装置，其特征在于，所述第二换热材料为硝酸钠。
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