CN106839850B - 一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置及其方法，该装置包括装置本体、相变储热单元堆积系统和输入输出系统。相变储热单元堆积系统设置在装置本体内，输入输出系统设置在装置本体的上下端。相变储热单元堆积系统包括若干个相变储热单元，相变储热单元底部有支撑架支撑以形成换热工质的水平流动通道，相变储热单元在装置本体内按照其内部相变材料熔点高低梯级分布，单元内部为相变材料，外部包裹着固体储热材料。系统储热流程为高温流体依次从高温相变储热区流至低温相变储热区，最终从装置底部处流出；反之，则为放热流程。本发明储热能力强、热量可以梯级储存和梯级利用、易于单元堆积和系统放大、适用范围广。

Description

一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置及其方法
技术领域
本发明属于太阳能储能利用领域，特别涉及一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置及其方法。
背景技术
太阳能由于其环保清洁、可再生、分布范围广、容易获取等优点，成为了目前能源应用领域的研究重点。太阳能中高温储热利用技术作为低成本能源利用技术之一，是未来有效缓解传统热力发电带来的能源短缺、资源枯竭、环境污染问题的重要手段。太阳能利用系统主要包括集热子系统、吸热与传热子系统、储能子系统、蒸汽发生系统和动力发电子系统。储能子系统是保证系统高效连续稳定运行的重要环节，因此储能系统的改进与完善成为了目前该领域探讨的重点。
储能的实质就是将一定形式的能量在一定条件下储存起来，并将其在一定的条件下释放应用。储热材料的使用过程包括两个阶段：热量的储备和热量的释放，这两个阶段循环进行，在时间和空间上达到调节热能分配的作用，最终实现能源的高效利用，从而达到节能的技术要求。目前存在的储热形式主要有三类：显热储热、相变储热和热化学储热。显热储热是指存储热量的多少可以直接通过固体或液体温度增加的多少来衡量；相变储热也叫潜热储热，其储热密度比显热储热高出至少一个数量级，能够在恒温条件下吸收或释放大量的热能。因此，对相变储热系统进行优化可以很好提高热能利用效率。
熔盐是目前使用最为广泛的相变储热材料，按其化学性质分为硝酸盐、碳酸盐、氟化盐、氯化盐等，而不同种类熔盐的熔点和工作温度也存在差异。一般工程要求熔点要低于运行温度50℃左右。氟化物熔盐中FLiNaK共晶盐熔点为454℃，FLiBe(LiF-BeF2，66-33mol％)熔点为434℃。硝酸盐熔盐中的HTS熔点为142℃，用于Solar Two电站中的SolarSalt(NaNO3-KNO360-40wt％)初晶温度为220℃，还有Hitec XL(NaNO3-KNO3-Ca(NO3)2，7-45-48wt％)熔点为120℃。碳酸盐的工作温度范围是450-800℃。目前根据不同的工作环境和工作要求，是选择其中一种作为储热材料。
在传统的以化石能源为主的能源结构中，能量尤其是高品位的电能需求主要由供应端实时调节产出实现供需平衡，储热装置尤其是高温储热装置的应用还较少。并且，也没有将中、高温储热系统结合应用的装置。目前还没有中、高温储热系统梯级储热的相关技术。
因此，提供一种储热材料多样，中、高温储热系统结合的储热装置及其方法具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，该装置可以实现相变储热材料与固体储热材料的复合使用，并具有按照相变材料工质的工作温度分布的优点，使热量在装置中达到梯级利用的节能效果。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述模块化梯级储热装置的方法，实现热量梯级储存和梯级利用，适用范围广。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，包括装置本体、保温系统、相变储热单元堆积系统和输入输出系统，保温系统设置在装置本体外侧，输入输出系统分别设置在装置本体的上端与下端；所述相变储热单元堆积系统放置在装置本体内，包括若干个相变储热单元，相变储热单元底部有支撑架支撑以形成换热工质的水平流动通道，相变储热单元在装置本体内按照其内部相变材料熔点高低梯级分布。本发明通过在相变储热单元内设置不同的相变材料，热量可以梯级储存和梯级利用，保证装置本体区域的充分利用，大大提高能量的利用效率。
优选的，每个所述相变储热单元包括相变储热模块以及固体储热模块，所述相变储热模块包括相变储热内壳，内壳内填充有相变材料，固体储热模块采用固体储热材料，固体储热模块包裹在相变储热内壳外侧，且固定在所述支撑架上。
更进一步的，所述相变储热单元分为主体相变储热单元和边界相变储热单元两种类型，相变储热单元堆积系统由上述两种类型的单元组合排列堆积而成；主体相变储热单元包含1个固体储热模块和2个相变储热模块；边界相变储热单元包含1个固体储热模块和1个相变储热模块；两种储热单元底部皆有支撑架支撑以形成流体的水平流动通道。根据储热的需求，边界相变储热单元可放置在装置本体的边缘处，主体相变储热单元可放置在装置本体的中心位置区域，从而使外来传热介质通道错落地分布在装置本体内，加强传热介质流体与储热单元间的换热。
优选的，所述装置本体包括壳体、均流装置，壳体为长方体或柱体结构，壳体外部上下两端分别通过管道与输入输出系统相连；均流装置内嵌在壳体内部上下两端，与相变储热单元堆积系统通过法兰进行连接，连接处使用密封圈进行密封，所述均流装置用于使进入壳体内的换热工质均匀分布。
更进一步的，所述均流装置是由管径大小相同、平行排列的管束组成，从入口的视角看上去呈蜂窝状，锥形处的管径按照壳体同样比例增大。从而使进入壳体内的换热工质均匀分布。
更进一步的，所述相变材料采用潜热熔盐储热介质。
更进一步的，所述固体储热材料采用各类陶瓷坯料。该类材料具有适宜的导热系数、较大的比热、良好的成型性能等特性。
优选的，所述保温系统包括温控系统、保温层、辅助加热装置，所述保温层设置在装置本体外侧，温控系统包括控制器以及若干个用于检测当前保温层温度的温控传感器，所述辅助加热装置与控制器相连。通过设置该保温系统，可便于用户对装置本体外的温度进行稳定调节。
一种基于上述相变储热单元的模块化梯级储热装置的方法，具体包括以下步骤：
(1)储热阶段：在储热过程开始时，高温换热工质输入相变储热单元内部相变材料熔点高的一端，然后通过装置本体内的水平流动通道依次向熔点低的一端流动，最后从相变储热单元内部相变材料熔点最低的一端流出；经过外部装置加热后继续执行上述循环，直到储热过程结束。
(2)放热阶段：在放热过程开始时，低温换热工质输入相变储热单元内部相变材料熔点低的一端，然后通过装置本体内的水平流动通道依次向熔点高的一端流动，最后从相变储热单元内部相变材料熔点最高的一端流出；经过外部装置放热后继续执行上述循环，直到储热过程结束。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明装置中每个相变储热单元包括相变储热模块以及固体储热模块，将相变材料和相应的固体材料复合应用，大大提高了装置的储热能力。
2、本发明装置通过规律排列组合装有不同种类相变材料的相变储热单元堆积系统，完成了各向异性多相态固体储热材料的性能调控。
3、本发明组合放置后的储热系统，与单独利用各相变储热单元堆积系统储热相比，热量可以梯级储存和梯级利用。
4、本发明整个装置基于相变储热单元，易于单元堆积和系统放大，适用范围广。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2(a)为本发明主体相变储热单元的结构示意图；
图2(b)为本发明边界相变储热单元的结构示意图；
图3是本发明方法的流程图。
图1中：1-装置本体；2-换热工质；3-固体储热模块；4-相变储热单元堆积系统；5-换热流体通道；6-均流装置。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，包括装置本体1、保温系统、相变储热单元堆积系统4和输入输出系统。保温系统设置在装置本体外侧，用于对装置本体外的温度进行稳定调节。相变储热单元堆积系统放置在装置本体内，由若干个相变储热单元堆积而成，相变储热单元在装置本体内按照其内部相变材料熔点高低梯级分布。输入输出系统分别通过管道固定在壳体外部上下两端。下面结合附图对各个结构进行具体说明。
本实施例中，装置本体包括壳体、均流装置6，壳体为长方体或柱体结构，壳体外部上下两端分别通过管道与输入输出系统相连；均流装置内嵌在壳体内部上下两端，与相变储热单元堆积系统通过法兰进行连接，连接处使用密封圈进行密封。参见图1，所述均流装置是由管径大小相同、平行排列的管束组成，从入口的视角看上去呈蜂窝状，锥形处的管径按照壳体同样比例增大。从而使进入壳体内的换热工质2均匀分布。
本实施例中，相变储热单元堆积系统由两种类型的相变储热单元堆积而成，分别是主体相变储热单元和边界相变储热单元。主体相变储热单元结构参见图2(a)，包含1个固体储热模块3和2个相变储热模块，堆积系统中该单元相对较多，分布在装置的大部分区域，该固体储热模块底端除4个角落设有支撑架支撑以形成流体的水平流动通道外，为增加单元装置稳定性，较长边中间位置处也同样设有支撑架。边界相变储热单元参见图2(b)，包含1个固体储热模块3和1个相变储热模块，堆积系统中该单元使用较少，只分布在部分的装置边界处。在该单元固体储热模块外壳底端设有4个支撑架，该支撑架主要作用为支撑作用以保证上下储热单元间可以留有足够的空间来进行换热。如图1、图2(a)、图2(b)所示，该图中换热流体通道5指的是外界换热介质流体进入装置本体内，在各储热单元间可以流动的空间，该空间包含上下层单元间由于设置支撑架所形成的水平方向上的空隙，和左右储热单元间所留出的竖直方向的空隙。
上述的相变储热模块包括相变储热内壳，内壳内填充有相变材料，固体储热模块采用固体储热材料，固体储热模块包裹在相变储热内壳外侧。根据相变材料的工作温度将相变储热单元堆积系统有规律地排列在装置本体1中，尽量保证装置本体1内的区域的充分利用。上述的规律是按照各个相变材料的熔点和运行温度来设置。例如：按照熔点由低到高：NaNO3<NaCl<NaF，那么上端放置的则为NaF熔盐，中间部分区域放置的为NaCl熔盐，而下端区域单元放置的则为NaNO3熔盐。这里不单是三种相变材料储热单元的分布，实际应用中只要从上往下排，相变材料的温度是从高到低即可。所述相变材料可采用潜热熔盐储热介质，固体储热材料可采用各类陶瓷坯料。使用上述装置储存热能时，各相变储热单元在保证储热要求的同时，大大地提高了能量的利用效率。
本实施例保温系统包括温控系统、保温层、辅助加热装置，所述保温层设置在装置本体外侧，温控系统包括控制器以及若干个用于检测当前保温层温度的温控传感器，所述辅助加热装置与控制器相连。通过设置该保温系统，可便于用户对装置本体外的温度进行稳定调节。
本发明的原理：针对相变材料的熔点不同，根据相变储热系统内相变材料熔点的高低，将相变储热单元堆积系统按照高温在上低温在下的顺序依次排列组合在装置本体内，从而达到热量的梯级利用的目的，有效提高了整体的储热效率。
利用上述装置实现的本发明关于相变储热单元的模块化梯级储热方法，包括下述步骤(见图3)：
(1)储热阶段。在储热过程开始时，进入装置本体顶部管道的高温流体经过并充满高温储热相变储热单元堆积系统，使高温流体和储罐间能够充分进行换热。换热工质经高温区域后，温度降低并继续与较高温区域进行换热，最后流经低温相变储热单元堆积系统区域后从装置本体的底部管道流出。经过外部装置加热后再继续从装置本体的顶部管道进入经换热后从底部管道流出，形成一个循环回路。
(2)放热阶段。在放热过程开始时，进入装置本体底部管道的低温流体经过并充满低温相变储热单元堆积系统区域，使低温流体和储罐间能够充分进行换热。换热工质经低温区域后，温度升高并继续与较高温区域进行换热，最后流经高温相变储热单元堆积系统区域后从装置本体的顶部管道流出。最终得到的高温工质在外部放热后再继续从装置本体的底部管道进入经换热后从顶部管道流出，形成一个循环回路。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，其特征在于，包括装置本体、保温系统、相变储热单元堆积系统和输入输出系统，保温系统设置在装置本体外侧，输入输出系统分别设置在装置本体的上端与下端；所述相变储热单元堆积系统放置在装置本体内，包括若干个相变储热单元，相变储热单元底部有支撑架支撑以形成换热工质的水平流动通道，相变储热单元在装置本体内按照其内部相变材料熔点高低梯级分布；所述相变储热单元分为主体相变储热单元和边界相变储热单元两种类型，相变储热单元堆积系统由上述两种类型的单元组合排列堆积而成；主体相变储热单元包含1个固体储热模块和2个相变储热模块；边界相变储热单元包含1个固体储热模块和1个相变储热模块；两种储热单元底部皆有支撑架支撑以形成流体的水平流动通道；
所述保温系统包括温控系统、保温层、辅助加热装置，所述保温层设置在装置本体外侧，温控系统包括控制器以及若干个用于检测当前保温层温度的温控传感器，所述辅助加热装置与控制器相连。
2.根据权利要求1所述的基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，其特征在于，每个所述相变储热单元包括相变储热模块以及固体储热模块，所述相变储热模块包括相变储热内壳，内壳内填充有相变材料，固体储热模块采用固体储热材料，固体储热模块包裹在相变储热内壳外侧，且固定在所述支撑架上。
3.根据权利要求1所述的基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，其特征在于，所述装置本体包括壳体、均流装置，壳体为长方体或柱体结构，壳体外部上下两端分别通过管道与输入输出系统相连；均流装置内嵌在壳体内部上下两端，与相变储热单元堆积系统通过法兰进行连接，连接处使用密封圈进行密封，所述均流装置用于使进入壳体内的换热工质均匀分布。
4.根据权利要求3所述的基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，其特征在于，所述均流装置是由管径大小相同、平行排列的管束组成，从入口的视角看上去呈蜂窝状，锥形处的管径按照壳体同样比例增大。
5.根据权利要求2所述的基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，其特征在于，所述相变材料采用潜热熔盐储热介质。
6.根据权利要求2所述的基于相变储热单元的模块化梯级储热装置，其特征在于，所述固体储热材料采用各类陶瓷坯料。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的模块化梯级储热装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)储热阶段：在储热过程开始时，高温换热工质输入相变储热单元内部相变材料熔点高的一端，然后通过装置本体内的水平流动通道依次向熔点低的一端流动，最后从相变储热单元内部相变材料熔点最低的一端流出；经过外部装置加热后继续执行上述循环，直到储热过程结束；
(2)放热阶段：在放热过程开始时，低温换热工质输入相变储热单元内部相变材料熔点低的一端，然后通过装置本体内的水平流动通道依次向熔点高的一端流动，最后从相变储热单元内部相变材料熔点最高的一端流出；经过外部装置放热后继续执行上述循环，直到放热过程结束。
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