CN111322774A

CN111322774A - 一种太阳能相变储能罐

Info

Publication number: CN111322774A
Application number: CN202010142959.4A
Authority: CN
Inventors: 毛前军; 杨猛; 张亚梅; 李迎; 李丹
Original assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE
Current assignee: Wuhan University of Science and Engineering WUSE; Wuhan University of Science and Technology WHUST
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-06-23

Abstract

本发明公开了一种太阳能相变储能罐，包括罐体和数据仪，罐体内部设置有容置仓，容置仓内填充有储能介质，罐体上连接有电加热器，电加热器包括与罐体相连接的法兰盘，法兰盘上连接有电加热管，电加热管插接在储能介质中，法兰盘上还插接有多个用于检测储能介质温度的热电偶，热电偶和数据仪相连接，罐体内部还连接有换热盘管，罐体上设置有进水孔和出水孔，换热盘管的进水口和进水孔相连通，换热盘管的出水口和出水孔相连通，进水孔用于通入常温水。本发明能够有效提升储能罐的储能稳定性，使得储能罐始终可以提供足够的能量以供使用。

Description

一种太阳能相变储能罐

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种太阳能相变储能罐。

背景技术

太阳能是一种可再生清洁能源，具有无污染、环境友好等特点，因此利用太阳能来取代现有的化石能源已成为能源利用的新趋势。现有的太阳能储能系统通常是利用储能罐来存储太阳能，储能罐内设置有储能介质，利用储能介质发生相变而对太阳辐照能量实施热交换，从而将太阳能储存起来以供用户使用。但是太阳能具有不稳定性，当太阳能较弱时，储能罐无法提供足够的能量以供使用。特别是近些年来空气污染较为严重，导致大气中气溶胶增加，气溶胶粒子会散射和吸收太阳光，从而减少了到达地面的太阳辐射量，导致太阳能储能罐无法储存足够的能量以供使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种太阳能相变储能罐，能够有效提升储能罐的储能稳定性，使得储能罐始终可以提供足够的能量以供使用。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种太阳能相变储能罐，包括罐体和数据仪，所述罐体内部设置有容置仓，所述容置仓内填充有储能介质，所述罐体上连接有电加热器，所述电加热器包括与所述罐体相连接的法兰盘，所述法兰盘上连接有电加热管，所述电加热管插接在所述储能介质中，所述法兰盘上还插接有多个用于检测储能介质温度的热电偶，所述热电偶和所述数据仪相连接，所述罐体内部还连接有换热盘管，所述罐体上设置有进水孔和出水孔，所述换热盘管的进水口和所述进水孔相连通，所述换热盘管的出水口和所述出水孔相连通，所述进水孔用于通入常温水。

在其中一个实施方式中，所述换热盘管包括第一换热盘管和第二换热盘管，所述进水孔包括第一进水孔和第二进水孔，所述出水孔包括第一出水孔和第二出水孔，所述第一换热盘管的进水口和所述第一进水孔相连通，所述第一换热盘管的出水口和所述第一出水孔相连通，所述第二换热盘管的进水口和所述第二进水孔相连通，所述第二换热盘管的出水口和所述第二出水孔相连通，所述储能介质自上至下依次形成高温层和低温层，所述第一换热盘管位于在所述高温层处，所述第二换热盘管位于所述低温层处。

在其中一个实施方式中，所述高温层中至少插入有一个所述热电偶，所述低温层中至少插入有一个所述热电偶。

在其中一个实施方式中，所述电加热器还包括散热部和电流控制器，所述电加热管依次穿过法兰盘和散热部后和所述电流控制器相连接，所述电流控制器和接线盒相连接，所述接线盒、电流控制器、

散热部和法兰盘均位于所述罐体的外部。

在其中一个实施方式中，所述散热部包括多个散热盘。

在其中一个实施方式中，所述储能介质采用熔盐。

在其中一个实施方式中，所述进水孔处设置有流量调节阀。

在其中一个实施方式中，所述罐体顶部开设开口，所述法兰盘封闭所述开口，所述容置仓包括圆柱腔和椭球腔，所述椭球腔位于所述圆柱腔的底部。

在其中一个实施方式中，所述罐体的外壁和内壁之间设置有保温层。

在其中一个实施方式中，所述法兰盘的两侧均连接有吊耳。

本发明具有以下有益效果：本发明的太阳能相变储能罐，能够在太阳能不足时，利用电加热器对储能介质进行辅助加热，快速有效地实现了储能介质的相变储能，提升了储能罐的储能稳定性，使得储能罐始终可以提供足够的能量以供使用，且有效提高了操作安全性。

附图说明

图1是本发明的太阳能相变储能罐的结构示意图；

图2是图1中储能罐中换热盘管和罐体的安装分解示意图；

图3是图1中电加热器的结构示意图；

图4是储能罐中测点的分布图；

图5是储能罐中储能介质上层的温度变化曲线图；

图6是储能罐中储能介质中层的温度变化曲线图；

图7是储能罐中储能介质下层的温度变化曲线图；

图中：1、罐体，11、第一进水孔，12、第一出水孔，13、第二进水孔，14、第二出水孔，2、第一换热盘管，3、第二换热盘管，4、电加热器，41、接线盒，42、散热部，421、散热盘，43、法兰盘，44、圆孔，45、电加热管，46、吊耳，5、热电偶，6、数据仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1-图3所示，本实施例公开了一种太阳能相变储能罐，包括罐体1和数据仪6，罐体1内部设置有容置仓，容置仓内填充有储能介质，罐体1上连接有电加热器4，电加热器4包括与罐体1相连接的法兰盘43，法兰盘43上连接有电加热管54，电加热管45插接在储能介质中，法兰盘43上还插接有多个热电偶5，热电偶5和数据仪6相连接，罐体1内部还连接有换热盘管，罐体1上设置有进水孔和出水孔，换热盘管的进水口和罐体1的进水孔相连通，换热盘管的出水口和罐体1的出水孔相连通，进水孔用于通入常温水，常温水从进水口流入换热盘管的进水口，与罐体1内的储能介质进行热交换后从换热盘管的出水口流出至罐体1的出水孔，并最终由出水孔流出至用户的供热设施。

其中，电加热管45用于加热储能介质，热电偶5用于检测储能介质温度，数据仪6用于对热电偶测得的温度进行记录和分析。

可以理解地，常温水的温度为20℃左右。

电加热器4用于辅助加热罐体1内的储能介质，也即当太阳辐射热量无法使罐体1内的储能介质发生相变时，则开启电加热器4，以利用电加热管45对储能介质进行辅助加热，实现储能。

在其中一个实施方式中，如图2所示，换热盘管包括第一换热盘管2和第二换热盘管3，进水孔包括第一进水孔11和第二进水孔13，出水孔包括第一出水孔12和第二出水孔14，第一换热盘管2的进水口和第一进水孔11相连通，第一换热盘管2的出水口和第一出水孔12相连通，第二换热盘管3的进水口和第二进水孔13相连通，第二换热盘管3的出水口和第二出水孔14相连通，储能介质自上至下依次形成高温层和低温层，也即高温层位于容置仓的上部，低温层位于容置仓的下部，第一换热盘管2位于在高温层处，第二换热盘管3位于低温层处。

其中，第一换热盘管2用于在高温层进行换热，常温水(20℃左右)自第一进水孔11进入第一换热盘管2的进水口，与该层储能介质进行热交换后形成较高温度的热水(100～120℃)，该热水从第一换热盘管2的出水口流出至罐体1的第一出水孔12，并最终由第一出水孔12流出以供给生活用热水；第二换热盘管3用于在低温层进行换热，常温水自第二进水孔13进入第二换热盘管3的进水口，与该层储能介质进行热交换后形成较低温度的热水(40～60℃)，该热水从第二换热盘管3的出水口流出至罐体1的第二出水孔14，并最终由第二出水孔14流出以供给地暖等所需水温较低的用热设施。通过第一换热盘管2和第二换热盘管3对高温层和低温层的储能进行分层利用，能够更加充分地利用储能介质的能量，减少能量损失。

在其中一个实施方式中，电加热器4可采用法兰式加热器。

在其中一个实施方式中，如图3所示，法兰盘43上设置多个圆孔44，圆孔44和热电偶5一一对应，每个热电偶5均插接在相应的圆孔44中。

在其中一个实施方式中，高温层中至少插入有一个热电偶5，低温层中至少插入有一个热电偶5，也即设置不同长度的热电偶5，分别测量高温层和低温层的温度。

在其中一个实施方式中，电加热器4还包括散热部42和电流控制器，电加热管45依次穿过法兰盘43和散热部42后和电流控制器相连接，电流控制器位于接线盒41内部，接线盒41、电流控制器、散热部42和法兰盘43均位于罐体1的外部。

其中，电流控制器用于控制电加热管45的功率，以模拟太阳能的辐射强度对罐体1中的储能介质进行加热，使得储能介质发生相变进行储热。

电流控制器所模拟的太阳能的辐射强度计算方法如下：

S1)计算赤纬角δ、第一中间量b和第二中间量e；

e＝9.87×sin2b-7.53cosb-1.5sinb

其中，n为一年中日期的序号(选取6月22日，则n＝174)。计算标准时的区间为0时至23时，每间隔0.5小时取一次数据。

S2)计算东经对应的太阳时ST：

其中,ST表示真太阳时，通常在地区跨度不大时，采用北京时间来进行日照分析；E表示东经；h表示本地区时间，单位为小时。

S3)计算太阳时角ω、入射角i以及大气外太阳辐射量g：

ω＝(ST-12)×15

其中，N表示北纬度。

S4)计算透射比t和散射比s：

s＝0.2710-0.293t

S5)计算出最终的太阳辐射量W为:

W＝g×(t+s)

上述太阳辐射量W即为电流控制器所模拟的太阳能的辐射强度。

在其中一个实施方式中，散热部42包括多个散热盘421，以扩大散热部42的散热效果，避免接线盒41一端温度过高而影响接线盒41以及内部电流控制器的正常使用。

进一步地，多个散热盘421自上至下依次设置。

进一步地，散热部42高度为130mm；电加热管45呈U形，电加热管45单边长度为330mm，管径为12mm，壁厚1.5mm。

在其中一个实施方式中，电加热管45的材质采用不锈钢管，如采用310S不锈钢管，电加热管45的发热丝材质采用镍铬合金，电加热管45的内部填充有重烧氧化镁粉，其加热功率为3KW,加热温度为600℃。其中，重烧氧化镁是指高纯度氧化镁，一般指MgO的纯度不低于98％的产品，具有较好的耐火绝缘性能。

在其中一个实施方式中，储能介质采用相变材料，该相变材料采用熔盐。在传统的太阳能储能罐中，通常将相变材料填充进相变胶囊内，再将相变胶囊放置于填充层内进行换热，这种相变胶囊难以更换与回收利用，造成了相变材料的浪费，而本实施例则直接采用熔盐，熔盐直接放置于罐体中进行换热，不需要使用相变胶囊，更便于更换与回收利用，大大节约了材料。

在其中一个实施方式中，熔盐采用石蜡、硫酸钠、硫酸钾中的一种或多种。

例如，熔盐可以采用相变温度在48～50℃的石蜡，石蜡具有无毒无害、无腐蚀、价格便宜等特点，作为相变材料而言，安全性更高。

在其中一个实施方式中，进水孔处设置有流量调节阀，具体的，第一进水孔11和第二进水孔13处均设置有流量调节阀，以便于控制流体的流速，流速慢，换热时间就长，则流出的水温越高，反之换热时间短，流出的水温越低。也即通过流量调节阀可以有效控制水温。

在其中一个实施方式中，罐体1的顶部开设开口，法兰盘43封闭开口以起到密封效果，容置仓包括圆柱腔和椭球腔，椭球腔位于圆柱腔的底部。椭球腔的设置，更利于温度的传导，电加热管45加热时，能够使得温度更快、更均匀地到达底部，从而使得储能介质能够完全相变，例如，储能介质若采用石蜡，则可使得石蜡能够完全融化。

进一步地，罐体1也呈圆柱形，罐体1的外径为640mm，罐体1的高度为630mm；圆柱腔直径为264mm，高度为350mm；椭球腔高度为10mm。

在其中一个实施方式中，罐体1的外壁和内壁之间设置有保温层。

进一步地，保温层采用硅酸铝棉；保温层厚度为200mm。

在其中一个实施方式中，法兰盘43的两侧均还连接有吊耳46，以方便实验人员起吊电加热器4。

在其中一个实施方式中，罐体1的底部设置有多个支脚，多个支脚呈三角形布置，以将罐体1进行悬空，避免罐底受热后直接与地面接触而导致热损失和地面受损。

在其中一个实施方式中，罐体1的材质可采用为奥氏体不锈钢。

在其中一个实施方式中，热电偶5采用高温型铠装热电偶，规格型号为SYWRNK-191,K型，探杆直径为3～4mm，最高检测温度为550℃，带冷端补偿接头，配耐高温防干扰带温度补偿引线3m，具有较好的耐高温和耐腐蚀性能。

本实施例的太阳能相变储能罐的工作原理为：当太阳辐射热量较弱，无法使罐体1内部的储能介质发生相变时，则开启电加热器4，利用电加热管45对储能介质进行辅助加热，使得储能介质发生相变，从而开始储能，通过控制电加热管45的功率来控制罐体1内部储能介质相变蓄热的温度，并利用热电偶5实时监测储能介质的温度，并由数据仪6实时记录该温度，以便于及时调控。其中电加热器4的功率与太阳每天的平均辐射传热量相对应，可通过计算获得。当需要使用罐体1内部储存的能量时，将常温水通入罐体1上的进水口，当罐体1上分别设置有第一进水孔11、第一出水孔12、第二进水孔13和第二出水孔14时，分别向第一进水孔11和第二进水孔13分别通入常温水，第一进水孔11内的常温水流经第一换热盘管2(位于高温层)换热后形成较高温度的热水，该热水经第一出水孔12流出以作为生活用热水使用，第二进水孔13内的常温水流经第二换热盘管3(位于低温层)换热后形成较低温度的热水，该热水经第二出水孔14流出以作为地暖热水使用。上述过程中，当数据仪6检测到的温度低于所需温度时，则进行重新加热，进行下一个循环。

当太阳辐射热量较弱时，例如在夜间，电加热器4可以利用夜间谷电对罐体1内的储能介质进行加热，从而完成储能，从而更加充分地利用电能，避免电能的浪费。

可以理解地，换热盘管的盘管圈数可根据用户期望的水温计算得出，以达到储能效果的最优化，以及避免材料浪费，有效控制成本。

进一步地，采用螺旋换热盘管，可以使得换热更加充分，且也便于安装和调整。

储能罐内上层、中层和下层温度分布曲线如图5-图7所示，上层为储能介质的高温层，高温层温度可达到120℃以上，中层和下层为储能介质的低温层，中层温度高于下层温度，中层温度可达到60～70℃，下层温度可达到40～50℃，其中，PCM温度表示储能材料的温度，PCM(Phase change material)表示相变材料，Tpcm-1表示第一测点、Tpcm-2表示第二测点，Tpcm-3表示第三测点，Tpcm-4表示第四测点，其中，各测点的分布如图4所示。

由图5-图7可知，储能罐内上层储能介质的温度达到120摄氏度左右时趋于稳定，中下层储能介质的温度在40～60℃之间趋于稳定，且上层、中层和下层温度均是在较短时间内就可以迅速升高并达到稳定，表明本实施例的储能罐具有良好的储能效果。

本实施例的太阳能相变储能罐，采用电加热且通入的是常温水，而不采用传统储能罐通入高温流体而流出低温流体的储能方式，一方面可避免传统储能方式无法控制所需热水量和热水的耗功率而造成的能量损失；另一方面传统储能方式采用高温流体进入罐体，其流速较大，温度较高，罐体易突然受热膨胀，如果罐体抗压性能较差，则可能导致罐体破裂，甚至发生爆炸，安全性较低，而本申请采用电加热且通入的常温水，可有效提高设备和操作安全性；能够在太阳能不足时，利用电加热器4进行储能介质的辅助加热，快速有效地实现储能介质的相变而实现储能，提升了储能罐的储能稳定性，使得储能罐始终可以提供足够的能量以供使用；结构简单，所占空间较小，成本较低且便于使用，也有效延长了储能罐的使用寿命。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种太阳能相变储能罐，其特征在于，包括罐体和数据仪，所述罐体内部设置有容置仓，所述容置仓内填充有储能介质，所述罐体上连接有电加热器，所述电加热器包括与所述罐体相连接的法兰盘，所述法兰盘上连接有电加热管，所述电加热管插接在所述储能介质中，所述法兰盘上还插接有多个用于检测储能介质温度的热电偶，所述热电偶和所述数据仪相连接，所述罐体内部还连接有换热盘管，所述罐体上设置有进水孔和出水孔，所述换热盘管的进水口和所述进水孔相连通，所述换热盘管的出水口和所述出水孔相连通，所述进水孔用于通入常温水。

2.如权利要求1所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述换热盘管包括第一换热盘管和第二换热盘管，所述进水孔包括第一进水孔和第二进水孔，所述出水孔包括第一出水孔和第二出水孔，所述第一换热盘管的进水口和所述第一进水孔相连通，所述第一换热盘管的出水口和所述第一出水孔相连通，所述第二换热盘管的进水口和所述第二进水孔相连通，所述第二换热盘管的出水口和所述第二出水孔相连通，所述储能介质自上至下依次形成高温层和低温层，所述第一换热盘管位于在所述高温层处，所述第二换热盘管位于所述低温层处。

3.如权利要求2所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述高温层中至少插入有一个所述热电偶，所述低温层中至少插入有一个所述热电偶。

4.如权利要求1所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述电加热器还包括散热部和电流控制器，所述电加热管依次穿过法兰盘和散热部后和所述电流控制器相连接，所述电流控制器和接线盒相连接，所述接线盒、电流控制器、散热部和法兰盘均位于所述罐体的外部。

5.如权利要求4所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述散热部包括多个散热盘。

6.如权利要求1所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述储能介质采用熔盐。

7.如权利要求1所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述进水孔处设置有流量调节阀。

8.如权利要求1所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述罐体顶部开设开口，所述法兰盘封闭所述开口，所述容置仓包括圆柱腔和椭球腔，所述椭球腔位于所述圆柱腔的底部。

9.如权利要求1所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述罐体的外壁和内壁之间设置有保温层。

10.如权利要求1所述的太阳能相变储能罐，其特征在于，所述法兰盘的两侧均连接有吊耳。