CN110260535A - 一种太阳能连续烘焙系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能利用领域，具体涉及一种太阳能连续烘焙系统及方法。系统包括太阳能集热器、高温金属氢化物蓄热反应器、低温金属氢化物储氢反应器、水箱、翅片式换热器以及烘焙设备，换热流体采用高温导热油和水。在日照期间，太阳热能一部分被用来进行烘焙，另一部分剩余的热能被储存在金属氢化物蓄热系统中；在夜间或者多云期间，将储存在金属氢化物蓄热系统中的热能释放，用于烘焙。本系统的能量利用率高，可以实现全天候下的连续烘焙，并且无污染，工作状态稳定可靠。

Description

一种太阳能连续烘焙系统及方法
技术领域
本发明属于太阳能利用领域，尤其是金属氢化物蓄热技术，具体涉及一种太阳能连续烘焙系统及方法。
背景技术
太阳能是世界上最重要和最丰富的可再生能源之一。每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，合理高效地利用太阳能可以大幅度降低化石能源的消耗，从而为减少环境污染做出贡献。目前对于太阳能的利用主要分为光伏和光热两种，近几年来，光热利用领域越来越受到人们的关注。
由于太阳能的间歇性和不连续性，为了解决太阳能供应的不稳定性，必须采用高温蓄热技术。在诸多高温蓄热技术中，金属氢化物蓄热技术具有蓄热密度高、循环稳定性好、成本低等特点，被认为是最具潜力的蓄热技术之一。Mg基金属氢化物由于其具有较宽的温度范围、较低的成本、高的蓄热密度、优良的吸放氢动力学性能、良好的循环性能而备受人们的关注。
由于太阳能可以高效、无害的提供烹饪和烘焙过程所需的热能，因此太阳能被人们认为是烹饪和烘焙过程的最佳能源。有人对太阳能烘焙单元进行了初步设计、开发和CFD仿真研究，研究结果表明，在总能量为3.29kW的情况下，烘焙蛋糕仅使用了其中0.201kW的小部分能量，能量损失相当大，并且由于太阳能的不稳定和不连续性，并不能做到连续性生产。因此为太阳能烘焙装置设计合适的太阳能蓄热系统是必不可少的。
发明内容
本发明的目的主要在于针对现有太阳能烘焙系统存在的不稳定、不连续以及能量利用率低的问题，提出了一种基于金属氢化物高温蓄热技术的太阳能连续烘焙系统及方法。本发明解决了现有技术中存在的问题，提高了能量利用率、工作状态平稳可靠。
本发明的技术方案是：
一种太阳能连续烘焙系统，包括太阳能集热器、高温金属氢化物蓄热反应器、低温金属氢化物储氢反应器、水箱、换热器和烘焙设备，高温金属氢化物蓄热反应器和低温金属氢化物储氢反应器均具有第一换热流体进出口、第二换热流体进出口和氢气进出口，水箱具有第一进出口和第二进出口，太阳能集热器的出口与高温金属氢化物蓄热反应器的第一换热流体进出口以及换热器的热端入口连通，太阳能集热器的出口与高温金属氢化物蓄热反应器的第二换热流体进出口以及换热器的热端出口连通；低温金属氢化物储氢反应器的氢气进出口与高温金属氢化物蓄热反应器的氢气进出口连通，低温金属氢化物储氢反应器的第一换热流体进出口和第二换热流体进出口分别与水箱的第一进出口和第二进出口连通；换热器的冷端出口与烘焙设备的热端入口连通，烘焙设备的热端出口与换热器的冷端入口连通；太阳能集热器的进口和出口均设有阀门。
所述的高温金属氢化物蓄热反应器中装载MgH2+V2O5复合材料作为储能介质，低温金属氢化物储氢反应器中装载LaNi5作为储氢介质。
所述的高温金属氢化物蓄热反应器和低温金属氢化物储氢反应器中装载的换热器为环形倾斜翅片式换热器。
所述的水箱外部包裹有保温材料。
所述的水箱中设有用于加热水的电加热装置和控制水温的温度控制仪，电加热装置和温度控制仪连接。
换热器为翅片式换热器。
低温金属氢化物储氢反应器的氢气进出口与高温金属氢化物蓄热反应器的氢气进出口之间设置有阀门，换热器的热端入口及冷端出口设置有阀门。
一种太阳能连续烘焙方法，通过上述系统进行，包括如下过程：
在太阳能集热器能够利用太阳能进行集热时：
太阳能集热器将太阳能转化为热能传递给换热流体，换热流体经过加热后，一部分导热油流向换热器，另一部分换热流体流向高温金属氢化物蓄热反应器，在换热器中，换热流体加热空气，空气被加热后通入烘焙设备进行烘焙；在高温金属氢化物蓄热反应器中，高温金属氢化物蓄热反应器中的高温金属氢化物材料从换热流体中吸收热能并通过高温金属氢化物材料的脱氢反应释放氢气，从高温金属氢化物蓄热反应器中释放的氢气流向低温金属氢化物储氢反应器，低温金属氢化物储氢反应器中的低温金属氢化物材料吸收流入的氢气并将氢气储存在低温金属氢化物储氢反应器中，低温金属氢化物储氢反应器在吸收氢气的同时，低温金属氢化物储氢反应器中的低温金属氢化物材料发生放热反应，此时从水箱中流出的低温水进入低温金属氢化物储氢反应器中吸收所释放的热能，水被加热后变为高温水流入水箱中储存；
在太阳能集热器不能利用太阳能进行集热时：
关闭太阳能集热器进口和出口的阀门，从水箱中流出被加热后的高温水，高温水流入低温金属氢化物储氢反应器，低温金属氢化物储氢反应器中的低温金属氢化物材料吸收水中的热量并发生脱氢反应释放氢气，低温金属氢化物储氢反应器中释放热量后水流入水箱，低温金属氢化物储氢反应器释放的氢气从低温金属氢化物储氢反应器流向高温金属氢化物蓄热反应器，高温金属氢化物蓄热反应器中的高温金属氢化物材料吸收氢气并发生放热反应同时释放热能，此时，换热流体吸收高温金属氢化物蓄热反应器中所释放的热能并流向换热器进行换热，在换热器中，换热流体加热空气，空气被加热后通入烘焙设备进行烘焙。
从水箱中流出的被加热后的高温水温度为90-100℃。
本发明具有如下有益效果：
本发明的太阳能连续烘焙系统利用太阳能集热器将太阳能转化为热能传递给换热流体，换热流体经过加热后，一部分导热油流向换热器，另一部分换热流体流向高温金属氢化物蓄热反应器，在换热器中，换热流体加热空气，空气被加热后通入烘焙设备进行烘焙；在高温金属氢化物蓄热反应器中，高温金属氢化物蓄热反应器中的高温金属氢化物材料从换热流体中吸收热能并通过高温金属氢化物材料的脱氢反应释放氢气，从高温金属氢化物蓄热反应器中释放的氢气流向低温金属氢化物储氢反应器，低温金属氢化物储氢反应器中的低温金属氢化物材料吸收流入的氢气并将氢气储存在低温金属氢化物储氢反应器中，低温金属氢化物储氢反应器在吸收氢气的同时，低温金属氢化物储氢反应器中的低温金属氢化物材料发生放热反应，此时从水箱中流出的低温水进入低温金属氢化物储氢反应器中吸收所释放的热能，水被加热后变为高温水流入水箱中储存；当在夜间、多云或者太阳能集热器不能利用太阳能进行集热时：关闭太阳能集热器进口和出口的阀门，从水箱中流出被加热后的高温水，高温水流入低温金属氢化物储氢反应器，低温金属氢化物储氢反应器中的低温金属氢化物材料吸收水中的热量并发生脱氢反应释放氢气，低温金属氢化物储氢反应器中释放热量后水流入水箱，低温金属氢化物储氢反应器释放的氢气从低温金属氢化物储氢反应器流向高温金属氢化物蓄热反应器，高温金属氢化物蓄热反应器中的高温金属氢化物材料吸收氢气并发生放热反应同时释放热能，此时，换热流体吸收高温金属氢化物蓄热反应器中所释放的热能并流向换热器进行换热，在换热器中，换热流体加热空气，空气被加热后通入烘焙设备进行烘焙。从以上可以看出，本发明的太阳能连续烘焙系统将金属氢化物蓄热技术和太阳能烘焙技术有效结合在一起，在日照期间，将多余的太阳热能存储在金属氢化物蓄热系统中，在夜间或者多云气候下，将存储的热能释放，提供烘焙所需要的能量。该系统既解决了原有系统在日照期间多余太阳热能的损失，又解决了在夜间或者多云情况下，无法工作的问题，并且提高了能量利用率、不会造成任何污染。因此，本发明具有节能、环保等优点，并且工作状态平稳可靠。
由上述本发明太阳能连续烘焙系统的有益效果可知，本发明的太阳能连续烘焙方法能够有效利用和存储太阳能，在日照期间以及夜间或者多云气候下均能实现烘焙，提高了能量利用率、不会造成任何污染、具有节能、环保等优点。
附图说明
图1是本发明太阳能连续烘焙系统的原理结构图(其中实线箭头指的是换热流体流动方向，虚线箭头指的是氢气流动方向)。
图2是本发明高温金属氢化物蓄热反应器以及低温金属氢化物储氢反应器中换热器采用的环形倾斜翅片式换热器的结构示意图。
图中，1太阳能集热器、2高温金属氢化物蓄热反应器、3低温金属氢化物储氢反应器、4水箱、5换热器、6烘焙设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明的基于金属氢化物蓄热技术的太阳能连续烘焙系统，包括太阳能集热器1、高温金属氢化物蓄热反应器2、低温金属氢化物储氢反应器3、水箱4、换热器5以及烘焙设备6。高温金属氢化物蓄热反应器2和低温金属氢化物储氢反应器3均具有第一换热流体进出口、第二换热流体进出口和氢气进出口，水箱4具有第一进出口和第二进出口，太阳能集热器1的出口与高温金属氢化物蓄热反应器2的第一换热流体进出口以及换热器5的热端入口连通，太阳能集热器1的出口与高温金属氢化物蓄热反应器2的第二换热流体进出口以及换热器5的热端出口连通；低温金属氢化物储氢反应器3的氢气进出口与高温金属氢化物蓄热反应器2的氢气进出口连通，低温金属氢化物储氢反应器3的第一换热流体进出口和第二换热流体进出口分别与水箱4的第一进出口和第二进出口连通；换热器5的冷端出口与烘焙设备6的热端入口连通，烘焙设备6的热端出口与换热器5的冷端入口连通；太阳能集热器1的进口和出口均设有阀门，在日照期间，太阳能集热器1的进口和出口的阀门打开，在夜间和多云期间，太阳能集热器1的进口和出口的阀门关闭；低温金属氢化物储氢反应器3的氢气进出口与高温金属氢化物蓄热反应器2的氢气进出口之间设置有阀门，换热器5的热端入口及冷端出口设置有阀门。高温金属氢化物蓄热反应器2和低温金属氢化物储氢反应器3的主体结构由不锈钢制成，高温金属氢化物蓄热反应器2和低温金属氢化物储氢反应器3由管道连接，便于氢气的流通。高温金属氢化物蓄热反应器2中装载MgH2+V2O5复合材料作为储能介质，其在200℃左右仍可以进行脱氢反应，低温金属氢化物储氢反应器3中装载LaNi5作为储氢介质，在100℃之下仍可以进行储氢反应。如图2所示，高温金属氢化物蓄热反应器2和低温金属氢化物储氢反应器(3)中均装载了环形倾斜翅片式换热器，以便进行有效地热传递和减少应力，从而避免了开裂。水箱4需由保温材料包裹，以确保在日照期间，流入的高温水中的热量不被流失。水箱中装有电加热装置和温度控制仪，电加热装置用来给高温水加热，温度控制仪将水温控制在90-100℃左右，在日照期间电加热装置和温度控制仪关闭，在夜间或者多云期间，电加热装置和温度控制仪开启。
本发明太阳能连续烘焙系统工作时分为两种工况。
一是在日照环境下，太阳光照射太阳能集热器1，太阳能集热器1将太阳能转化为热能传递给作为换热流体的导热油，导热油经过加热后为高温导热油并分为两路流出，一路导热油流向换热器5，在换热器5中，导热油加热空气，空气被加热后通入烘焙设备6进行烘焙，另一路导热油流向高温金属氢化物蓄热反应器2，高温金属氢化物蓄热反应器2中的高温金属氢化物材料从高温导热油中吸收热能，并通过金属氢化物的脱氢反应释放氢气，释放的氢气流入低温金属氢化物储氢反应器3，然后通过放热过程被低温金属氢化物储氢反应器3中的低温金属氢化物材料吸收，低温金属氢化物材料所释放的热量被从水箱4内流出的低温水吸收，水箱4内流出的低温水吸收热量后转化为高温水，高温水再流入水箱4中保存。在此工况下，所述太阳热能一部分被烘焙设备6所利用，一部分在金属氢化物蓄热系统中被存储起来。
二是在夜间或者多云工况下，首先打开水箱4中的电加热器和温度控制仪，将日照期间保存的高温水加热至90-100℃，水箱4中流出90-100℃的高温水通入低温金属氢化物储氢反应器3中，低温金属氢化物储氢反应器3吸收高温水中热能发生脱氢反应，释放的氢气从低温金属氢化物储氢反应器3流向高温金属氢化物蓄热反应器2，高温金属氢化物蓄热反应器2中的高温金属氢化物材料吸收氢气发生放热反应，释放热能，此时，高温金属氢化物蓄热反应器2中的换热流体导热油吸收高温金属氢化物材料所释放的热能并携带热量流向换热器5，换热器5进行换热并将热能传递给烘焙设备6。在此工况下，没有新的太阳热能被利用，高温金属氢化物蓄热反应器2中所储存的热能被用来供应烘焙设备6。
本发明所诉的基于金属氢化物蓄热技术的太阳能连续烘焙系统中，含有两种换热流体(导热油和水)和一种流动气体(氢气)。在日照环境下，首先是换热流体导热油在太阳能集热器1内吸收热量，一路导热油作为热端输入接入换热器5，导热油将携带的热能传递给换热器5的冷端并加热冷端的空气，导热油释放热能后流回太阳能集热器1重新加热循环；换热器5中冷端的导热介质空气吸收热能后，接入烘焙设备6进行烘焙操作，热空气在烘焙设备6中释放热能后再流入换热器5重新进行加热循环。另一路导热油作为热端接入高温金属氢化物蓄热反应器2，将热量传递给高温金属氢化物材料后，导热油流回太阳能集热器1重新加热循环，高温金属氢化物材料吸收导热油中的热能发生放氢反应，释放的氢气通过管道流入低温金属氢化物储氢反应器3，低温金属氢化物材料将氢气储存起来，在储氢过程中，低温金属氢化物材料会释放出热能，此时，从水箱中流出低温水作为冷端接入低温金属氢化物储氢反应器3，低温水吸收低温金属氢化物材料释放出的热能变为高温水，高温水流入水箱4保存。在夜间或者多云工况下，首先打开水箱4中的电加热器和温度控制仪，加热保存的高温水到90-100℃，被加热后的高温水作为热端流入低温金属氢化物储氢反应器3中发生脱氢放热反应，高温水被吸收热能变为低温水，低温水流入水箱4，同时，释放的氢气从低温金属氢化物储氢反应器3流向高温金属氢化物蓄热反应器2，高温金属氢化物材料吸收氢气发生放热反应，释放热能，此时，换热流体导热油作为冷端接入高温金属氢化物蓄热反应器2，导热油吸收反应所释放的热能，直接接入换热器5，释放热能后，导热油回到高温金属氢化物蓄热反应器2，继续进行循环，空气在换热器5中吸收热能后，接入烘焙设备6进行烘焙操作，热空气释放热能后流入换热器5重新进行加热循环。在日照工况下，氢气由高温金属氢化物蓄热反应器2流向低温金属氢化物储氢反应器3；在夜间或者多云工况下，氢气由低温金属氢化物储氢反应器3流向高温金属氢化物蓄热反应器2。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种太阳能连续烘焙系统，其特征在于，包括太阳能集热器(1)、高温金属氢化物蓄热反应器(2)、低温金属氢化物储氢反应器(3)、水箱(4)、换热器(5)和烘焙设备(6)，高温金属氢化物蓄热反应器(2)和低温金属氢化物储氢反应器(3)均具有第一换热流体进出口、第二换热流体进出口和氢气进出口，水箱(4)具有第一进出口和第二进出口，太阳能集热器(1)的出口与高温金属氢化物蓄热反应器(2)的第一换热流体进出口以及换热器(5)的热端入口连通，太阳能集热器(1)的出口与高温金属氢化物蓄热反应器(2)的第二换热流体进出口以及换热器(5)的热端出口连通；低温金属氢化物储氢反应器(3)的氢气进出口与高温金属氢化物蓄热反应器(2)的氢气进出口连通，低温金属氢化物储氢反应器(3)的第一换热流体进出口和第二换热流体进出口分别与水箱(4)的第一进出口和第二进出口连通；换热器(5)的冷端出口与烘焙设备(6)的热端入口连通，烘焙设备(6)的热端出口与换热器(5)的冷端入口连通；太阳能集热器(1)的进口和出口均设有阀门。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能连续烘焙系统，其特征在于，所述的高温金属氢化物蓄热反应器(2)中装载MgH2+V2O5复合材料作为储能介质，低温金属氢化物储氢反应器(3)中装载LaNi5作为储氢介质。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能连续烘焙系统，其特征在于，所述的高温金属氢化物蓄热反应器(2)和低温金属氢化物储氢反应器(3)中装载的换热器为环形倾斜翅片式换热器。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能连续烘焙系统，其特征在于，所述的水箱(4)外部包裹有保温材料。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能连续烘焙系统，其特征在于，所述的水箱(4)中设有用于加热水的电加热装置和控制水温的温度控制仪，电加热装置和温度控制仪连接。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能连续烘焙系统，其特征在于，换热器(5)为翅片式换热器。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能连续烘焙系统，其特征在于，低温金属氢化物储氢反应器(3)的氢气进出口与高温金属氢化物蓄热反应器(2)的氢气进出口之间设置有阀门，换热器(5)的热端入口及冷端出口设置有阀门。
8.一种太阳能连续烘焙方法，其特征在于，通过权利要求1-7任意一项所述的太阳能连续烘焙系统进行，包括如下过程：
在太阳能集热器(1)能够利用太阳能进行集热时：
太阳能集热器(1)将太阳能转化为热能传递给换热流体，换热流体经过加热后，一部分导热油流向换热器(5)，另一部分换热流体流向高温金属氢化物蓄热反应器(2)，在换热器(5)中，换热流体加热空气，空气被加热后通入烘焙设备(6)进行烘焙；在高温金属氢化物蓄热反应器(2)中，高温金属氢化物蓄热反应器(2)中的高温金属氢化物材料从换热流体中吸收热能并通过高温金属氢化物材料的脱氢反应释放氢气，从高温金属氢化物蓄热反应器(2)中释放的氢气流向低温金属氢化物储氢反应器(3)，低温金属氢化物储氢反应器(3)中的低温金属氢化物材料吸收流入的氢气并将氢气储存在低温金属氢化物储氢反应器(3)中，低温金属氢化物储氢反应器(3)在吸收氢气的同时，低温金属氢化物储氢反应器(3)中的低温金属氢化物材料发生放热反应，此时从水箱(4)中流出的低温水进入低温金属氢化物储氢反应器(3)中吸收所释放的热能，水被加热后变为高温水流入水箱(4)中储存；
在太阳能集热器(1)不能利用太阳能进行集热时：
关闭太阳能集热器(1)进口和出口的阀门，从水箱(4)中流出被加热后的高温水，高温水流入低温金属氢化物储氢反应器(3)，低温金属氢化物储氢反应器(3)中的低温金属氢化物材料吸收水中的热量并发生脱氢反应释放氢气，低温金属氢化物储氢反应器(3)中释放热量后水流入水箱(4)，低温金属氢化物储氢反应器(3)释放的氢气从低温金属氢化物储氢反应器(3)流向高温金属氢化物蓄热反应器(2)，高温金属氢化物蓄热反应器(2)中的高温金属氢化物材料吸收氢气并发生放热反应同时释放热能，此时，换热流体吸收高温金属氢化物蓄热反应器(2)中所释放的热能并流向换热器(5)进行换热，在换热器(5)中，换热流体加热空气，空气被加热后通入烘焙设备(6)进行烘焙。
9.根据权利要求8所述的一种太阳能连续烘焙方法，其特征在于，从水箱(4)中流出的被加热后的高温水温度为90-100℃。
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