CN107144028A - 一种析出固体蓄热的太阳能利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种析出固体蓄热的太阳能利用方法，所述析出固体蓄热的太阳能利用方法包括以下步骤：步骤1、将蓄热温度段的饱和溶液储存太阳能并析出固体溶质，形成高温段的饱和溶液；步骤2、将高温段的饱和溶液释放热量吸收固体溶质，形成蓄热温度段的饱和溶液。本发明通过改变传统的大容量固液相变蓄热的传热蓄热模式，通过部分特殊蓄热工质(全温度段或者部分温度段溶液溶解度随温度升高而降低)析出固体溶质时与外界换热时仍处于液态，实现吸放热的高换热系数，避免传统相变换热过程中固态传热系数过低的缺点，蓄热过程中涵盖化学热和物理热的变化，蓄热量大。

Description

一种析出固体蓄热的太阳能利用方法

技术领域

本发明涉及太阳能利用领域，具体涉及一种析出固体蓄热的太阳能利用方法。

背景技术

太阳能具有随机性、地域性、季节性等特点，因此为了更稳定的使用太阳能，蓄能成为其使用过程中的重要组成结构。采用显热进行蓄能，蓄能量小，温升大，因此一般都用在低温热水领域。对于大规模蓄热，显热蓄热的体积大，成本高，散热大，降低了太阳能使用效率。

为了提高太阳能使用效率，相变蓄热应用在工程实践中。传统的相变蓄热基于物质的物态变化过程中的大量物理潜热被吸收或者放出的原理(主要是固液相变)，进行蓄热和放热。相对显热蓄能，潜热蓄能的体积大大减少，蓄热箱体成本低，散热少。虽然有众多优点，但是在由液相变为固相的放热过程中，换热系数的影响因素由液相对流换热变为固体导热进而导致系数大大降低，因此换热时间长，换热功率小，整体太阳能利用系统吸放热前后对比性能变化大；且因为固态和液态密度变化较大，对容器设计安全也有一定的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本专利提供了一种基于溶液温度不同溶解度不同而进行相变蓄热的新思路，以氢氧化钠为例进行说明(仅仅为数据说明，不代表本思路使用此物质)，其溶解热为40～50kJ/mol左右，其溶液比热一般为90J/mol·K左右，其熔化热为6.6kJ/mol，由此可见利用溶解析出过程其蓄热和放热量更大。

本发明的目的是提供一种析出固体蓄热的太阳能利用方法，所蓄的热量不但包括物理热，还包括化学热，蓄热量大，其蓄热方式为析出结晶吸热。

为实现以上目的，本发明采取了的技术方案是：

一种析出固体蓄热的太阳能利用方法，其通过析出固体蓄热的太阳能利用系统实现，所述析出固体蓄热的太阳能利用系统包括集热器、设有保温外壳的蓄热箱、集热箱和设于蓄热箱内的蓄热箱内换热器，所述析出固体蓄热的太阳能利用方法包括以下步骤：

蓄热时，低温时段或蓄热温度段的饱和溶液储存太阳能并析出固体溶质，所述低温时段或者蓄热温度段的饱和溶液随着蓄热量增加、温度升高以及析出溶质量的提高形成高温段的饱和溶液；

放热时，高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质，所述高温段的饱和溶液随着温度升高和固体含量的降低形成低温段或蓄热温度段的饱和溶液；

其中，所述低温时段或蓄热温度段的饱和溶液储存太阳能并析出固体的步骤包括以下步骤：

步骤11、将蓄热箱充入处于低温时段或者蓄热温度段的饱和溶液，所述低温时段或蓄热温度段的饱和溶液为随温度升高而溶解度降低的溶液；

步骤12、将集热箱充入液体工质，利用集热箱内液体工质吸收太阳辐射能，以获得高温液体工质；

步骤13、将所述高温液体工质从蓄热箱内换热器入口端流入并从蓄热箱内换热器出口端流出，所述饱和溶液通过蓄热箱内换热器与高温液体工质进行换热，所述换热过程中，蓄热温度段的饱和溶液吸收热量并析出固体溶质，所述低温时段或者蓄热温度段的饱和溶液随着蓄热量增加、温度升高以及析出溶质量的提高形成高温段的饱和溶液；所述的高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质的步骤包括以下步骤：

将被加热液体从蓄热箱内换热器入口端流入并从蓄热箱内换热器出口端流出，以所述被加热液体吸收高温段的饱和溶液的热量，所述高温段的饱和溶液释放热量；所述高温段的饱和溶液随着温度降低以及溶解度提高进而溶解固体溶质，形成蓄热温度段的饱和溶液；所述高温段的饱和溶液释放热量过程中，利用动力匀流装置带动高温段的饱和溶液上下部的流动，以保持饱和溶液的饱和特性和均温特性。

所述的动力匀流装置为设于蓄热箱内底部的托盘，在高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质的步骤中，将所述托盘通过动力上升至蓄热箱内中部，以带动高温段的饱和溶液上下部的流动。

所述的动力匀流装置为搅拌装置，在高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质的步骤中，通过搅拌装置的搅拌，以带动高温段的饱和溶液上下部的流动。

所述动力匀流装置为设置在蓄热箱一侧并与蓄热箱上下两端连通的旁通管路，所述旁通管路内充有不溶于所述饱和溶液和固体溶质、且在通过所述高温饱和溶液时能从液体转变为气体的不溶工质，所述旁通管路上设有前级换热器和单向阀，所述单向阀位于前级换热器的下方，所述步骤2包括以下步骤：

步骤211、将被加热液体从前级换热器流过，以吸收前级换热器中的气体不溶工质的热量，将所述气体不溶工质转化为液体不溶工质；

步骤212、将吸收气体不溶工质热量后的被加热液体从蓄热箱内换热器的入口端流入，从蓄热箱内换热器的出口端流出，以所述被加热液体吸收高温段的饱和溶液的热量；所述高温段的饱和溶液释放热量并溶解固体溶质，形成蓄热温度段的饱和溶液；

步骤212、所述高温段的饱和溶液释放热量过程中，打开单向阀，经前级换热器转化后的液体不溶工质流入蓄热箱内，流入蓄热箱内的液体不溶工质经饱和溶液加热形成带动饱和溶液上下部流动的气体不溶工质，所述气体不溶工质从旁通管路上部接口再次进入到前级换热器中。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的主要使用原理是基于某些溶质的溶解度随温度升高而降低的特性(在某些温度段或者全温度段)，其饱和溶液在吸热温度升高后析出固体，并储存热量，其蓄热相态变化为含有固体的溶液而非熔化，对比常规固液相变蓄热，本发明在放热时段的换热过程不是通过固体导热换热而是通过液体对流模式进行换热,具有换热效率高,容积变化小等众多优点,减少了换热器面积，减少投资，保证吸热、放热过程的高效稳定；对比常规相变蓄热仅仅利用物理热，本发明综合利用物理热和化学热，其热值大，蓄热量大，且蓄热介质在吸放热过程中均通过对流换热进行，换热过程稳定可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1中析出固体蓄热的太阳能利用系统的结构示意图；

图2为本发明实施例3中析出固体蓄热的太阳能利用系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

本发明基于某些溶液在全温度段或者蓄热温度段溶解度随温度升高而降低的特性，通过析出固体溶质进行蓄热。例如硫酸锰、硫酸氢钠、亚硫酸钠、氢氧化钙等很多物质的溶液均有这种特性(或者其他溶剂不是水的溶液)。

本发明通过改变传统的大容量固液相变蓄热的传热蓄热模式，传统相变蓄热的相态变化为:固态-液态，本发明的相态变化为:饱和溶液-析出固体的饱和溶液。本发明通过部分特殊蓄热工质溶液析出固体溶质时与外界换热时仍处于液态，实现吸放热的高换热系数，避免传统相变换热过程中固态传热系数过低的缺点。蓄热过程中涵盖化学热和物理热的变化，蓄热量更大。

蓄热工质为某种全温度段或者部分蓄热温度段溶解度随温度升高而降低的液体物质，开始使用时，低温时段或者蓄热温度段充入饱和液体，随着吸热温度升高，固体溶质析出，并随着持续吸热温度持续升高，析出更多固体溶质，放热时随着温度降低，溶解度提高，固态溶质溶于液体释放出物理热和化学热。

实施例1

一种析出固体蓄热的太阳能利用方法，其通过析出固体蓄热的太阳能利用系统实现，所述析出固体蓄热的太阳能利用系统如图1所示，包括集热器、设有保温外壳1的蓄热箱、集热箱和设于蓄热箱内的蓄热箱内换热器3，所述析出固体蓄热的太阳能利用方法包括以下步骤：

步骤1、将蓄热温度段的饱和溶液储存太阳能并析出固体溶质，形成高温段的饱和溶液，所述低温时段或蓄热温度段的饱和溶液为随温度升高而溶解度降低的溶液，；

其中，所述的步骤1具体的包括以下步骤：

步骤11、将蓄热箱充入处于需要的蓄热温度段的饱和溶液；具体的，一般为在低温时或者在大溶解度温度段充入饱和溶液。

步骤12、将集热箱充入液体工质，利用集热箱内液体工质吸收太阳辐射能，以获得高温液体工质，具体的，可当晴天太阳能辐射时，所述液体工质可选用水，集热器中的水因吸收太阳辐射能温度升高。

步骤13、待集热器中的水温升高到一定程度后，可由控制系统控制高温水从蓄热箱内换热器3的一个接口进入并通过换热释放热量给饱和溶液后降温，接着从另外一个接口流出，以加热低温饱和溶液，饱和溶液吸收热量温度升高导致溶液的溶解度降低析出固体溶质4，形成高温段的饱和溶液，此为蓄热箱的吸热过程。因为析出固体溶质需要吸收大量热量，因而在小温度区间内蓄热量大。

步骤2、将高温段的饱和溶液释放热量吸收固体溶质，形成蓄热温度段的饱和溶液；

所述的步骤2包括以下步骤：

将被加热液体从蓄热箱内换热器3入口端流入并从蓄热箱内换热器3出口端流出，以所述低温液体工质吸收高温段的饱和溶液的热量，高温段的饱和溶液释放热量并吸收固体溶质，形成蓄热温度段的饱和溶液；所述高温段的饱和溶液释放热量过程中，利用动力匀流装置带动高温段的饱和溶液上下部的流动，以保持饱和溶液饱和特性和均温特性。因为放热过程中，蓄热箱底部的温度低、密度大，因而需要动力匀流装置来保证溶液上下部的流动以保持蓄热箱内的溶液温度和浓度均匀，此过程中晶体溶解释放出溶解热。

具体的，在需要使用热量时，被加热液体可选用冷水，将冷水从蓄热箱内换热器3的一个接口进入并通过换热吸收溶液中的热量后升温从另外一个接口流出，同时溶液温度降低溶解度升高，溶液浓度提高。考虑到流动问题为了更好更快更稳定的释放热量，动力匀流装置的作用为在蓄热器放热时段推动析出固态溶质更快溶于液体。具体结构可以为可升降托盘结构或者底部搅拌结构，或者为类似气爆方案。作为一个实施例，可通过动力将托盘5升起到一定高度，蓄热箱内换热器3周围的温度升高的未饱和溶液混合托盘5中的固体溶质4变成饱和溶液并释放出溶解热。此为蓄热箱放热过程。而在放热完毕重新吸热前将托盘5降到蓄热箱底部。

实施例2

本实施例中，将实施例1中的动力托盘5用一个搅拌装置代替，在放热时对流体进行慢慢的搅拌，以使溶液混合保持其饱和特性和均温特性。

实施例3

本实施例中，将实施例1中的动力托盘5结构去掉，如图2所示，在蓄热箱一侧设置一个与蓄热箱连通的旁通管路，所述旁通管路内充有不溶于所述饱和溶液和固体溶质且通过高温饱和溶液时能从液态转变为气态的不溶工质31，所述旁通管路上设有前级换热器和单向阀，其中不溶于溶剂和溶质的不溶工质31，在蓄热温度段至高温端的温度范围内均为气态。蓄热箱内溶液吸热过程与实施例1同，在蓄热箱放热时被加热流体首先从旁通上的前级换热器32流过吸收气体不溶工质31中的热量，优选的，当被加热液体从前级换热器流过时，还可将所述气体不溶工质朝被加热液体流动方向相反的方向流动，形成气液两相流。然后被加热液体再流过蓄热箱内换热器3进行升温，升温后的流体从另外一个接口流出。气体不溶工质31被吸收热量转为液态不溶工质31，当温差到一定程度后，单向阀33打开，所述的单向阀33可用泵代替，实现溶液匀流的主动控制。因为高度差旁通中的液体工质的高度高于蓄热箱中的溶液高度，液体不溶工质31流入箱体中被加热变为气体带动饱和溶液流动进而与固体溶质4混合，而因为不溶工质不溶于饱和溶液，因而气体不溶工质31向上浮动，从旁通管路上部接口进入旁通管路被冷却为液体。视工质和使用温度的要求，其蓄热箱可以为承压和非承压箱体。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.一种析出固体蓄热的太阳能利用方法，其通过析出固体蓄热的太阳能利用系统实现，所述析出固体蓄热的太阳能利用系统包括集热器、设有保温外壳的蓄热箱、集热箱和设于蓄热箱内的蓄热箱内换热器，其特征在于，所述析出固体蓄热的太阳能利用方法包括以下步骤：

蓄热时，低温时段或蓄热温度段的饱和溶液储存太阳能并析出固体溶质，所述低温时段或者蓄热温度段的饱和溶液随着蓄热量增加、温度升高以及析出溶质量的提高形成高温段的饱和溶液；

放热时，高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质，所述高温段的饱和溶液随着温度升高和固体溶质含量的降低形成低温段或蓄热温度段的饱和溶液；

其中，所述低温时段或蓄热温度段的饱和溶液储存太阳能并析出固体溶质的步骤包括以下步骤：

步骤11、将蓄热箱充入处于低温时段或者蓄热温度段的饱和溶液，所述低温时段或蓄热温度段的饱和溶液为随温度升高而溶解度降低的溶液；

步骤12、将集热箱充入液体工质，利用集热箱内液体工质吸收太阳辐射能，以获得高温液体工质；

步骤13、将所述高温液体工质从蓄热箱内换热器入口端流入并从蓄热箱内换热器出口端流出，所述饱和溶液通过蓄热箱内换热器与高温液体工质进行换热，所述换热过程中，蓄热温度段的饱和溶液吸收热量并析出固体溶质，所述低温时段或者蓄热温度段的饱和溶液随着蓄热量增加、温度升高以及析出溶质量的提高形成高温段的饱和溶液；

所述的高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质的步骤包括以下步骤：

将被加热液体从蓄热箱内换热器入口端流入并从蓄热箱内换热器出口端流出，以使所述被加热液体吸收高温段的饱和溶液的热量，所述高温段的饱和溶液释放热量；所述高温段的饱和溶液随着温度降低以及溶解度提高进而溶解固体溶质，形成蓄热温度段的饱和溶液；所述高温段的饱和溶液释放热量过程中，利用动力匀流装置带动高温段的饱和溶液上下部的流动，以保持饱和溶液的饱和特性和均温特性。

2.根据权利要求1所述的析出固体蓄热的太阳能利用方法，其特征在于，所述的动力匀流装置为设于蓄热箱内底部的托盘，在高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质的步骤中，将所述托盘通过动力上升至蓄热箱内中部，以带动高温段的饱和溶液上下部的流动。

3.根据权利要求1所述的析出固体蓄热的太阳能利用方法，其特征在于，所述的动力匀流装置为搅拌装置，在高温段的饱和溶液释放热量溶解固体溶质的步骤中，通过搅拌装置的搅拌，以带动高温段的饱和溶液上下部的流动。

4.根据权利要求1所述的析出固体蓄热的太阳能利用方法，其特征在于，所述动力匀流装置为设置在蓄热箱一侧并与蓄热箱上下两端连通的旁通管路，所述旁通管路内充有不溶于所述饱和溶液和固体溶质、且在通过所述高温饱和溶液时能从液体转变为气体的不溶工质，所述旁通管路上设有前级换热器和单向阀，所述单向阀位于前级换热器的下方，所述步骤2包括以下步骤：

步骤211、将被加热液体从前级换热器流过，以吸收前级换热器中的气体不溶工质的热量，将所述气体不溶工质转化为液体不溶工质；

步骤212、将吸收气体不溶工质热量后的被加热液体从蓄热箱内换热器的入口端流入，从蓄热箱内换热器的出口端流出，以所述被加热液体吸收高温段的饱和溶液的热量；所述高温段的饱和溶液释放热量并溶解固体溶质，形成蓄热温度段的饱和溶液；

步骤212、所述高温段的饱和溶液释放热量过程中，打开单向阀，经前级换热器转化后的液体不溶工质流入蓄热箱内，流入蓄热箱内的液体不溶工质经饱和溶液加热形成带动饱和溶液上下部流动的气体不溶工质，所述气体不溶工质从旁通管路上部接口再次进入到前级换热器中。