CN110332723A - 一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，由储热箱体(2)和紧密贴合在内壁上的保温层(3)形成的外壳构成，所述储热箱体(2)内部设有若干个圆环柱形相变模块，各相变模块以同心圆形式由内向外依次排列，内侧为高熔点相变模块(4)，外侧为低熔点相变模块(5)，交错布置形成折流式流体流道(6)。在蓄热过程中，采用高熔点相变模块(4)和低熔点相变模块(5)实现能量的梯级利用；在释热过程中，先经过低熔点相变模块(5)预热、再经过高熔点相变模块(4)加热，使冷水温度逐步升高。相比较传统的太阳能储热水箱，本发明储热密度大，热利用时间长，提高了换热效率，且具有节能环保、体积小等特点。
Description
技术领域
本发明涉及能源储存技术领域，特别涉及一种储存太阳能的相变储能装置。
背景技术
随着世界经济的持续发展，能源枯竭问题日益严重，同时，传统化石能源带来了各种各样的环境问题，使得世界各国开始致力于新能源的开发利用。其中，太阳能具有清洁、丰富、可持续等优势，是世界各国开发利用的重点。我国幅员辽阔，纬度跨度大，太阳能资源极其丰富，有三分之二的地区全年日照时间超过2200h，年辐射总量在3340MJ/m2～8400MJ/m2之间。因此，我国在太阳能利用方面具有相当大的潜力。
由于太阳能容易受时间、天气和地理位置等因素影响，具有间断性、不稳定性等特点，不能提供连续稳定的高密度能源，使得太阳能的应用发展受到很大的制约。因此，需要采取高效的蓄热装置来保证太阳能的连续使用。
在传统的太阳能热水系统中一般直接使用水箱蓄热，即冷水经过太阳能集热器加热后存入水箱，待用户需要时使用。该方法直接利用水的显热进行蓄热，水的比热容大，蓄热能力强，但蓄热密度小，需要占用较大的体积，升温快降温也快，在连续阴雨等情况下，水箱的蓄热量不能满足用户需求。相变蓄能技术是利用相变材料在相变过程中会吸收或释放相变潜热的原理，具有储能密度大、储能体积小和性质稳定等优点，与蓄热装置相结合可以减小装置体积，延长太阳能的使用时间，保证出水温度均匀稳定。
专利号201510530818.9的中国专利公开了《一种基于水合盐的太阳能储热装置》。该装置包括太阳能储热装置外壳、工质盛装管道和相变储热材料。工质盛装管道共20～30层，各层工质盛装管道呈上下分布，每层工质盛装管道为蛇形工质盛装管道，每层工质盛装管道的一端均与工质入口连通，每层工质盛装管道的另一端均与工质出口连通。相变材料填充在太阳能储热装置外壳和工质盛装管道之间，占据内胆体积的70％～80％。该装置结构简单、充放热迅速、效率高；采用多层工质盛装管道上下重叠的方式，增大了换热面积，提高了换热效率；相变材料装载率大，增大了相变储热装置总储热量。该装置采取的多层工质盛装管道上下重叠的方式，能够保证各层温度均匀分布，但流体在换热的同时温度逐渐下降，后半程流体温度若低于相变材料的相变温度，则不能利用潜热蓄热，导致蓄热量下降。同时，实施例中相变材料的相变温度在70～80℃，当太阳辐射弱，太阳能集热器出水温度低于相变温度时，无法利用该装置的潜热蓄热，造成蓄热量大大下降。
专利号201510992323.8的中国专利公开了《一种级联式太阳能集热单罐相变蓄、放热装置及其使用方法》。该蓄热罐体的顶部布置有蓄热介质入口，底部布置有蓄热介质出口；级联式相变蓄热装置布置在蓄热罐体内的上部；蓄热罐体内自下而上设置放热盘管换热组件，放热盘管换热组件设有分别与能量利用装置的两端相连的入口和出口太阳能集热装置布置在蓄热罐体外部，通过蓄热介质入口和蓄热介质出口与蓄热罐体连接。该发明利用太阳能对蓄热介质加热，实现级联式相变蓄热装置的蓄热，同时使用了显热和潜热蓄热。该装置存在的问题是相变材料含量较少，蓄热主体仍然是水，相变材料的潜热蓄热量大而显热蓄热量小，虽然用了级联蓄热，但在实际应用中，对蓄热装置蓄热能力的提升比较有限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足而提出了一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，专门用于储存太阳能，解决太阳能使用中间歇性和不稳定性的问题。
本发明的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，该装置由储热箱体2和紧密贴合在内壁上的保温层3形成的外壳构成，所述储热箱体2顶部设有蓄热进口/取热出口1，底部设有蓄热出口/取热进口7，所述储热箱体2内部设有若干个圆环柱形相变模块，各相变模块以同心圆形式由内向外依次排列，内侧为高熔点相变模块4，外侧为低熔点相变模块5，交错布置，形成折流式流体流道6，使流体呈折流状流动。
在蓄热过程中，太阳能热水由内侧流向外侧，温度逐渐降低，采用高熔点相变模块(4)和低熔点相变模块(5)实现能量的梯级利用，提高太阳能利用率；在释热过程中，冷水由外侧流向内测，先经过低熔点相变模块(5)预热、再经过高熔点相变模块(4)加热，使冷水温度逐步升高，提高换热效率。
所述高熔点相变模块4采用相变温度为50℃～55℃的相变材料制成。
所述低熔点相变模块5采用相变温度为40℃～45℃的相变材料制成。
所述相变材料共占据储热箱体2内部体积的70％～80％。
所述高熔点相变模块4和低熔点相变模块5表面设有凸点，以增加其传热系数。
所述高熔点相变模块4和低熔点相变模块5表面设有波纹片，以增加其传热系数。
所述高熔点相变模块5和低熔点相变模块5的内部添加金属肋，以增加其传热系数。
所述相变材料中添加膨胀石墨粉，以增强导热系数。
相比传统的太阳能储热水箱，本发明的双级圆环折流式太阳能相变储能装置能够充分利用太阳能蓄热供暖，延长了太阳能的使用时间，具有节能环保、蓄放热能力强、体积小、太阳能利用率高等特点；并且，其储热密度大，热利用时间长，在夜间及阴雨天气时能够持续产生热水，提高了换热效率。
附图说明
图1为本发明的双级圆环折流式太阳能相变装置结构的纵向剖视图；
图2为本发明的双级圆环折流式太阳能相变装置结构的横向剖视图；
图3为本发明实施例的蓄热工况示意图；
图4为本发明实施例的释热工况示意图。
附图标记：
1、蓄热进口/取热出口，2、储热箱体，3、保温层，4、高熔点相变材料，5、低熔点相变材料，6、折流式流体流道，7、蓄热出口/取热进口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1至图2所示，为本发明的一种双级圆环折流式太阳能相变装置结构示意图。该装置包括储热箱体2，储热箱体2的内壁与保温层3紧密贴合，二者形成太阳能相变储能装置的外壳。其顶部设有蓄热进口/取热出口1，底部设有蓄热出口/取热进口7，内部设有若干个圆环柱形相变模块包括内侧的高熔点相变模块4，外侧的低熔点相变模块5，各模块交错布置，模块之间形成折流式流体流道6。内部为高熔点相变材料，外部为低熔点相变材料，在蓄热过程中，太阳能热水由内侧流向外侧，温度逐渐降低，采用高熔点相变模块4和低熔点相变模块5两种相变温度范围的材料实现能量的梯级利用，提高太阳能利用率；在释热过程中，冷水由外侧流向内测，先经过低熔点相变模块5预热、再经过高熔点相变模块4加热，使冷水温度逐步升高，提高换热效率。
本发明具体实施例中：
相变材料共占据内部体积的70％～80％，相变材料采用不锈钢封装及模块式封装形成所述高熔点相变模块4和所述低熔点相变模块5，各相变模块以同心圆形式由内向外依次排列。
所述高熔点相变模块4和所述低熔点相变模块5的表面设有凸点、波纹或在内部设置金属肋片来增加相变模块的传热系数；同时，在相变材料中添加膨胀石墨粉等物质来增强相变材料的导热系数；在蓄放热时相变模块完全浸没在水中，使得相变模块增大了换热面积，圆环板交错排列、折流式布置，使流体流道曲折且流程较长，可增强流体流动过程中对流体的扰动，延长换热时间，达到了更好的换热效果。
所述高熔点相变模块4采用相变温度为50℃～55℃的相变材料加工制成，以三水醋酸钠为代表。
所述低熔点相变模块5采用相变温度为40℃～45℃的相变材料加工制成，以十水合硫酸钠为代表。所述高熔点相变模块4和低熔点相变模块5的数量根据实际用热需求自行选择。
所述储热箱体2的材质为不锈钢。
本发明的工作原理如下所述：
蓄热过程中，来自太阳能集热器的热水通过蓄热进口1进入，在折流式流体流道6中首先与高熔点相变材料4换热，随着换热持续进行，水温逐渐下降，在后半程与低熔点相变材料5换热，充分利用太阳能热水的热量，水温进一步下降后，从蓄热出口7流出，回到太阳能集热器；释热过程中，来自用户的冷水通过取热进口7进入，在折流式流体流道6中首先与低熔点相变材料5换热，随着换热持续进行，水温逐渐上升，在后半程继续与高熔点相变材料4换热，水温进一步上升后，从取热出口1流出供入用户。
Claims (9)
1.一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，该装置由储热箱体(2)和紧密贴合在内壁上的保温层(3)形成的外壳构成，所述储热箱体(2)顶部设有蓄热进口/取热出口(1)，底部设有蓄热出口/取热进口(7)，其特征在于，所述储热箱体(2)内部设有若干个圆环柱形相变模块，各相变模块以同心圆形式由内向外依次排列，内侧为高熔点相变模块(4)，外侧为低熔点相变模块(5)，交错布置，形成折流式流体流道(6)，使流体呈折流状流动。
2.如权利要求1所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，在蓄热过程中，太阳能热水由内侧流向外侧，温度逐渐降低，采用高熔点相变模块(4)和低熔点相变模块(5)实现能量的梯级利用，提高太阳能利用率；在释热过程中，冷水由外侧流向内测，先经过低熔点相变模块(5)预热、再经过高熔点相变模块(4)加热，使冷水温度逐步升高，提高换热效率。
3.如权利要求1或2所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，所述高熔点相变模块(4)采用相变温度为50℃～55℃的相变材料制成。
4.如权利要求2或3所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，所述低熔点相变模块(5)采用相变温度为40℃～45℃的相变材料制成。
5.如权利要求4所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，所述相变材料共占据储热箱体(2)内部体积的70％～80％。
6.如权利要求2所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，所述高熔点相变模块(4)和低熔点相变模块(5)表面设有凸点，以增加其传热系数。
7.如权利要求2所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，所述高熔点相变模块(4)和低熔点相变模块(5)表面设有波纹片，以增加其传热系数。
8.如权利要求2所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，所述高熔点相变模块(4)和低熔点相变模块(5)的内部添加金属肋，以增加其传热系数。
9.如权利要求3或4所述的一种双级圆环折流式太阳能相变储能装置，其特征在于，所述相变材料中添加膨胀石墨粉，以增强导热系数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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