CN106959032A - 一种高温熔盐相变蓄放热装置 - Google Patents

一种高温熔盐相变蓄放热装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高温熔盐相变蓄放热装置，所述蓄放热装置至少包括：蓄热器，具有气体出入口；由多根蓄热管组成的蓄热管阵列，安装在所述蓄热器中，所述蓄热管中装有凝固点高于750℃的高温相变材料，利用所述高温相变材料与进入所述蓄热器的气体进行换热。白天，高温气体流过蓄热器，与蓄热管内的相变材料换热，将能量存储在蓄热管内，气体换热后温度降低成为低温气体，回到集热塔/聚光塔吸热器吸热；夜间，低温气体流过蓄热器吸热后到发电系统进行发电做功，蓄热器中的相变材料换热后降低温度。本发明的蓄放热装置，提高发电系统的介质温度，从而提高系统的发电效率，结构紧凑，经济性好。

Description

一种高温熔盐相变蓄放热装置
技术领域
本发明属于塔式太阳能热发电系统领域，涉及一种储能装置，特别是涉及一种高温熔盐相变蓄放热装置。
背景技术
太阳能热发电系统存在太阳能发电周期和用电需求周期不匹配，特别是夜间和阴天时候，无太阳能时造成机组闲置。为了提高发电效率、减少发电成本、提高太阳能热电系统的稳定性和连续性，太阳能热发电系统需要有蓄热装置，以使系统在没有太阳辐射能量的时候能继续满足发电需要。
目前常见的在太阳能领域中应用的储热方式有的显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热。显热蓄热介质包括固态和液态，固态蓄热介质有砂石、耐火砖、混凝土、蜂窝陶瓷、复相陶瓷等。专利申请号为200910272709.6太阳能热发电用混凝土储热系统的换热管道结构布置方法，采用混凝土储热系统，温度可以达到600-900℃，是一种显热储热方法。液态蓄热介质主要为熔盐，由于熔融盐具有使用温度范围广、相对的热稳定性、导热性能良好、蒸气压低、热容量大、黏度低且化学稳定性好等特点而被广泛使用。目前商用化塔式系统中基本采用熔盐蓄热，蓄热时间可设计长达15小时，实现了动力系统的不间断供电，但都使用的是熔盐的显热蓄热。专利申请号为201620001776.X一种太阳能熔盐相变蓄热器，采用相变材料为质量比例54％KNO3和46％NaNO3混合的二元硝酸盐或者质量比例40％KNO3和60％NaNO3混合的二元硝酸盐组成的熔盐相变材料，最高使用温度为560℃。显热蓄热时，蓄热材料在储存和释放热能时，材料的温度会发生连续变化，不能维持恒定的输出温度，能释放的能量密度小，需要庞大的蓄热系统和设备，占地面积大，成本高。
相变蓄热可实现恒温蓄热和放热，输出的温度和能量稳定，且蓄热密度大，单位容积蓄热量明显高于显热蓄热，发展潜力大。目前已实现了采用蒸汽作为相变介质的中低温蓄热，采用高温相变介质的蓄热还处于研究阶段，未有应用于示范项目报道。目前最具潜力的高温蓄热相变蓄热介质主要有高温熔盐和金属合金。高温熔盐的应用瓶颈在于导热系数低，从而影响蓄热系统的充放热速率。金属合金导热系数非常高，且蓄热密度大，具备较高的相变潜热，热循环稳定性好。但明显缺陷是液态金属合金腐蚀性强，对相应容器材料要求高，且金属合金相变材料在蓄热领域的研究很不充分。
高温相变材料：当前研究较多的是氟盐及其共晶混合物、金属及合金、金属氧化物、高温熔融盐与陶瓷基或金属基复合蓄热材料、纳米复合材料等。如采用LiF-CaF2作为空间站循环发电系统的蓄热材料，寿命可达到30年，蓄热性能非常稳定；氯化钠的相变温度801℃，相变潜热406kJ/kg，氯化钙相变温度782℃，相变潜热255.4kJ/kg；金属氧化物如MoO3(相变温度795℃，相变焓364kJ/kg)、TiO2(2020℃，相变焓917kJ/kg)、ZrO2(2680℃，相变焓708kJ/kg)等材料，可以在超高温情况下使用。
此外，目前商用或示范运行的塔式太阳能发电系统采用空气上塔、蒸汽上塔和熔盐上塔三种方式，后面的发电系统都采用蒸汽轮机，有相关专利提出空气布雷顿循环或者超临界二氧化碳循环发电系统。空气传热性能差，系统庞大，发电系统未蒸汽轮机不能很好的利用高温空气的热能。蒸汽上塔由于高温蒸汽对应的压力高，当前蒸汽温度范围为400-500℃，压力范围为5-12MPa，若蒸汽参数向火电装置的超临界参数发展，对应的压力将超过20MPa。需要增加管道以及设备的壁厚，会一定程度上降低吸收太阳辐射热的换热系数，限制了太阳的辐射通量。熔盐因其高热容密度、高传热系数及价格低廉成为当前最具潜力及广泛应用的传热介质。熔盐作为吸热工质的同时还可兼做蓄热工质，同时其运行系统压力低，系统工作相对安全，吸热器设计更紧凑，制造成本降低，热损失降低。但是，熔盐凝固点高，系统需要安全可靠的保温措施，在无太阳能时需要将熔盐排回罐里，增加的成本和系统复杂度。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高温熔盐相变蓄放热装置，用于解决现有技术中熔盐蓄热装置运行温度较低，而且利用显热蓄放热，能量密度小，效率低，占地面积达，成本高等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高温熔盐相变蓄放热装置，所述蓄放热装置至少包括：
蓄热器，具有气体出入口；
由多根蓄热管组成的蓄热管阵列，安装在所述蓄热器中，所述蓄热管中装有凝固点高于750℃的高温相变材料，利用所述高温相变材料与进入所述蓄热器的气体进行换热。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述蓄热管通过密封盖将高温相变材料密封其中，所述高温相变材料和密封盖之间还密封有保护气体。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述密封盖为密封法兰。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述高温相变材料中添加有强化传热的石墨或者金属颗粒。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述蓄热管中还放置有用于增强传热的螺旋翅片。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述蓄热管竖直安装在所述蓄热器中，所述蓄热管阵列呈三角形或者矩形排列
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述蓄热管管壁为耐高温腐蚀的复合管壁。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述耐高温腐蚀的复合管壁为镍与不锈钢双层复合管壁，或者陶瓷与不锈钢双层复合管壁。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述蓄热管通过多层支撑板固定安装在所述蓄热器中。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述蓄热器包括壳体，所述壳体至少包括入口段、腔体段以及出口段；
所述入口段和出口段分别通过法兰连接发电系统的工质管路，作为蓄热器的气体出入口；所述腔体段用于安装所述蓄热管。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，所述入口段和腔体段之间还安装有均流板。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，在所述壳体外侧还设置有保温层。
作为本发明高温熔盐相变蓄放热装置的一种优化的方案，进入所述蓄热器的气体为氦气、超临界二氧化碳、水蒸气或者空气。
如上所述，本发明的高温熔盐相变蓄放热装置，具有以下有益效果：
1、本发明针对塔式太阳能热发电系统，提出一种高温熔盐相变蓄放热装置，利用白天高温气体与熔盐换热蓄热，夜间或无太阳能时，蓄热器将热释放给气体进行发电，利用潜热蓄热，能提高能量密度，气体出口温度稳定，可高达750℃左右，装置结构简单，效率高。
2、本发明装置结构简单，运行出口介质温度高，能量密度大，不需要伴热装置，维护成本低，与布雷顿循环发电系统结合，结构紧凑，系统总效率高，经济性好。
3、采用高温熔盐蓄放热，熔盐凝固点在750℃以上，适合于高温太阳能集热发电系统，可以提高系统的循环发电效率。
附图说明
图1为本发明高温熔盐相变蓄放热装置整体示意图。
图2为本发明高温熔盐相变蓄放热装置中腔体段固定安装蓄热管的结构示意图。
图3为本发明高温熔盐相变蓄放热装置中蓄热管的结构示意图。
元件标号说明
1 蓄热器
11 入口段
12 腔体段
13 出口段
14 均流板
15 保温层
16 法兰
17 支撑板
2 蓄热管
21 高温相变材料
22 密封盖
23 保护气体
24 螺旋翅片
25 复合管壁
251 耐腐蚀管壁
252 耐高温承压管壁
3 气体入口
4 气体出口
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
现有技术中。采用低温熔盐蓄热，后面只能接蒸汽轮机发电系统，温度为565℃左右，发电系统比较庞大。而且利用熔盐的显热蓄热，蓄热系统庞大。假设采用硝酸盐蓄热装置蓄热量为6.42×108kJ，这个热量相当于15MW，持续运行12小时。硝酸盐的比热约为1.5kJ/kg.K，按照现有熔盐蒸汽发电系统的运行温度，熔盐罐的温度从565℃降到290℃，温差为275℃，蓄热系统需要用盐为1556吨，熔盐储存在一个或者几个大罐中，600℃的温度，需要很大的壁厚。同时还需要有伴热保温装置，成本高。据报道，西班牙塞维利亚的全球首座可实现24h发电的太阳能Gemasolar光热电站，因熔盐热罐隔热和伴热没做好温差大，造成罐底破裂，造成重大的经济损失。
鉴于此，本发明提供一种新型的高温熔盐相变蓄放热装置，用于解决上述问题。
如图1所示，本实施例提供一种高温熔盐相变蓄放热装置，所述蓄放热装置至少包括蓄热器1和由多根蓄热管2组成的蓄热管阵列。其中，所述蓄热器1具有气体出入口3、4；所述蓄热管阵列安装在所述蓄热器1中，所述蓄热管2中装有凝固点高于750℃的高温相变材料21，利用所述高温相变材料21与进入所述蓄热器1的气体进行换热。
如图3所示为蓄热管2，所述蓄热管2一端为盲管，另一端通过密封盖22将所述高温相变材料21密封其中。所述密封盖22可以优选为密封法兰，在此不限。
作为示例，所述高温相变材料21和密封盖22之间还密封有保护气体23。所述保护气体34优选为惰性气体。所述保护气体34一方面可以吸收高温相变材料21熔解和凝固过程的体积膨胀，另一方面可以防止高温相变材料21对密封盖22的腐蚀。
作为示例，本发明采用高温相变材料21作为蓄放热介质，所述高温相变材料21可以是氯盐等熔盐，例如，可以是氯化钠，凝固点(相变温度)高于800℃，但不限于此。采用氯化钠熔盐，蓄热量为6.42×108kJ，需要熔盐724吨，而且气体出口温度可以稳定在750℃以上，系统发电效率高。另外，现有技术中所用硝酸盐的价格为4000元/吨，而工业用盐(氯化钠)价格便宜很多，因此成本低。采用本发明的高温蓄热装置，利用熔盐的相变蓄热，不仅传递给做功工质的温度高，效率高，而且在相变过程出口温度恒定，同样的蓄热装置，所需熔盐量小。
为了提高高温相变材料21的导热系数，可以在所述高温相变材料21中添加具有有强化传热作用的石墨或者金属颗粒等，但是并不限于此。蓄热管2中的高温相变材料21不流动，不需要泵等附属装置，结构简单。
所述蓄热管2中还放置有螺旋翅片24，通过所述螺旋翅片24可以增大传热面积，从而进一步增强传热效果，提高蓄放热速率，所述螺旋翅片24优选为金属螺旋翅片。
作为示例，所述蓄热管2选择耐相变材料腐蚀的复合管，其管壁选择耐高温腐蚀的复合管壁25。例如，所述耐高温腐蚀的复合管壁25可以为镍与不锈钢双层复合管壁，也可以是陶瓷与不锈钢双层复合管壁，还可以是其他适合材料的耐高温腐蚀的复合管壁。其中镍或陶瓷设置在里层作为耐腐蚀壁面251，不锈钢设置在外层作为耐高温承压管壁252，耐高温的不锈钢承压管壁的材料可以为316S或者321H等。本实施例中。采用直径为40mm，壁厚为3mm的陶瓷管与不锈钢的双层复合管壁作为蓄热管2的管壁。
作为示例，如图2所示，在蓄热器1中设置一多层支撑板17，通过多层支撑板17将蓄热管2固定安装在所述蓄热器1中。进一步地，所述蓄热管2竖直安装在所述蓄热器1的多层支撑板17中，其盲管一端朝下，密封盖22一端朝上。所述蓄热管阵列的排列形式不限，根据热负荷要求，合理设计管束规格尺寸，可以是三角形或者矩形排列等，从发电系统管道进来的气体从壳程(蓄热器壳体和蓄热管外壁间)流过吸热或者放热。。
如图1所示，所述蓄热器1包括壳体，所述壳体至少包括入口段11、腔体段12以及出口段13；所述入口段11和出口段13分别通过法兰16连接发电系统的工质管路(未予以图示)，作为蓄热器1的气体出入口3、4；所述腔体段12用于安装所述蓄热管2。
所述入口段11和出口端13均为缩口段，所述入口段11和腔体段12之间还安装有均流板14，以使进入腔体段12的气体介质流场均匀，提高换热效果。
另外，在所述壳体外侧还设置有保温层15。所述蓄热管2外不需要保温装置，系统运行中不需要加热装置，比现有的显热液态熔盐蓄热简单，不必担心熔盐凝固冻堵等问题。
进入所述蓄热器1，用于与蓄热管2内所述相变材料21进行换热的气体介质种类不限，只要能上塔吸热到高温即可。例如可以是氦气、超临界二氧化碳、水蒸气或者空气等。本实施例中，采用氦气作为气体换热介质，则发电系统所采用的动力系统为布雷顿闭式循环的氦气轮机系统。
本发明的高温熔盐相变蓄放热装置的具体工作过程为：
首先，将高温相变材料21装入蓄热管2中，通入保护气体23，并盖上密封盖22；
然后，将多个蓄热管2安装固定在蓄热器1中的多层支撑板17上，并将蓄热器1两端的气体出入口3、4通过法兰16与发电系统的工质管路相连；
初始时刻管内相变材料都处于室温状态，白天，气体从集热塔上吸收的热量大部分用于发电，少部分通过发电系统的工质管路流进本发明蓄热器1，将热量存储在蓄热管2的相变材料21中，该过程中相变材料21吸热温度升高，高温气体流过蓄热管2放热温度降低成为低温气体，低温气体通过气体出口4重新到集热塔上吸收热量，重复循环，逐渐将管内相变材料21的温度升高到凝固点以上直到最后熔化，等温吸热，温度继续升高到凝固点以上完全液化。而到了夜间，低温气体流过蓄热器1吸热升温，蓄热管内相变材料21放热温度降低，重复循环，直到蓄热管2内的相变材料21放热温度降低到凝固点以下。
本发明以NaCl熔盐作为高温相变材料为例，循环气体为氦气，对放热过程进行设计计算如下。氦气入口温度417.5℃，质量流量为6.94kg/s，氦气入口压力0.337MPa，NaCl熔盐初始温度为800℃，持续工作12小时，蓄热量不小于5.96×108kJ。分别取氦气的入口流速为1m/s和2m/s进行设计计算。换热管尺寸壁厚为3mm，换热管内径为Φ＝40mm，换热管采用正三角形布置，管间距取d＝1.2Φ。
初步计算的结果如下表1：
由计算分析可知，采用本发明装置的蓄热器方案，结构简单，方案可行，蓄热量大，所用熔盐量小，是现有显热蓄热方案熔盐的一半，而且本方案的熔盐容易获取，成本低。同时，也降低了整体的设备加工和维护成本。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于，所述蓄放热装置至少包括：
蓄热器，具有气体出入口；
由多根蓄热管组成的蓄热管阵列，安装在所述蓄热器中，所述蓄热管中装有凝固点高于750℃的高温相变材料，利用所述高温相变材料与进入所述蓄热器的气体进行换热。
2.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热管通过密封盖将高温相变材料密封其中，所述高温相变材料和密封盖之间还密封有保护气体。
3.根据权利要求2所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述密封盖为密封法兰。
4.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述高温相变材料中添加有强化传热的石墨或者金属颗粒。
5.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热管中还放置有用于增强传热的螺旋翅片。
6.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热管竖直安装在所述蓄热器中，所述蓄热管阵列呈三角形或者矩形排列。
7.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热管管壁为耐高温腐蚀的复合管壁。
8.根据权利要求7所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述耐高温腐蚀的复合管壁为镍与不锈钢双层复合管壁，或者陶瓷与不锈钢双层复合管壁。
9.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热管通过多层支撑板固定安装在所述蓄热器中。
10.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述蓄热器包括壳体，所述壳体至少包括入口段、腔体段以及出口段；
所述入口段和出口段分别通过法兰连接发电系统的工质管路，作为蓄热器的气体出入口；所述腔体段用于安装所述蓄热管。
11.根据权利要求10所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：所述入口段和腔体段之间还安装有均流板。
12.根据权利要求10所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：在所述壳体外侧还设置有保温层。
13.根据权利要求1所述的高温熔盐相变蓄放热装置，其特征在于：进入所述蓄热器的气体为氦气、超临界二氧化碳、水蒸气或者空气。
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