CN111735217B - 一种太阳能-金属氢化物加热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能‑金属氢化物储热装置，该装置包括：双层不锈钢罐，金属氢化物反应池，太阳能聚光板，电子集路盒，高压储氢钢瓶，两个单向阀，增压器；本发明结构简单，利用金属氢化物吸放氢反应和高压储氢钢瓶的复合简易结构，能够避免太阳能利用时的间歇性，通过加注高压氢气就可以实现用水的加热，不受时间限制，实现热能的储存和全天候的供应。本发明装置可用于节能技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及节能技术领域，具体涉及一种太阳能-金属氢化物加热装置。
背景技术
太阳能热水器作为典型的太阳能利用装置在我国农村十分普及，然而太阳能热水器对天气依赖程度大，在阴雨天或冬天需电加热辅助，耗电量大；此外，太阳能热水器加热的热水往往需要到晚上才能使用，热水长时间储存在保温罐中会造成大量热能的损失。太阳能热水器直接以太阳能加热介质为热源，结构简单，成本较低，一般是利用一定的装置将光能转化为热能，普遍存在的问题是效率不高。目前利用金属氢化物做储热装置的实际应用报道不多，当前应用氢化物蓄热系统在有效利用自然能和作为节能措施的废热有效回收技术方面研究甚少。
目前利用金属氢化物与太阳能结合的储热装置主要工作原理如下：利用太阳能产生的热能促使金属氢化物发生化学反应，依靠氢气循环所作的功驱动金属氢化物水泵，实现热水器和水泵的复合功能，提高太阳能的热效率，但需要利用保温箱进行热水的保温，存在热能的耗散和浪费，另外传统加热装置没能较好地克服阴雨天气下太阳能供应的间歇特点，且往往结构复杂、装置所占体积大、成本高。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种结构简单、成本低、使用寿命长且能有效克服太阳能供应的间歇特点的太阳能-金属氢化物加热装置。
为达此目的，本发明采用如下技术方案：
一种太阳能-金属氢化物加热装置，其特点是，该加热装置包括太阳能聚光板、多层不锈钢罐、高压储氢钢瓶，其中，所述的多层不锈钢罐包括内层金属氢化物反应池及外层储液池，外层储液池的外周壁设有进液口、出液口，内层金属氢化物反应池的端面设有进气口、出气口，多层不锈钢罐通过支架安装在太阳能聚光板上方，多层不锈钢罐的内层金属氢化物反应池的出气口通过出气管连接至高压储氢钢瓶的进口，高压储氢钢瓶的出口通过进气管连接至多层不锈钢罐的内层金属氢化物反应池的进气口，出气管、进气管上分别设有单向阀I、单向阀II，且出气管、进气管上连接有电子集路盒。具体地，多层不锈钢罐的内层金属氢化物反应池的出气口通过单向阀I、电子集路盒与高压储氢钢瓶的进口相连，高压储氢钢瓶的出口通过电子集路盒、单向阀II和与多层不锈钢罐的内层金属氢化物反应池的进气口相连。本发明双层不锈钢罐的内层罐是装有金属氢化物的反应池，外层在该储热装置使用时注水，金属氢化物反应池的一端设有进气口和出气口与高压储氢钢瓶相连，外层注水区域用来对冷水加热，它的一端同样设有进液口和出液口。金属氢化物反应池的氢气出口与储氢钢瓶的进口相连，产生的氢气压强通过压力传感器监测，当管道中的氢气压强大于某一设定值后，控制增压器对其加压，同时将增压后的氢气送入高压储氢钢瓶中进行储存。为了使金属氢化物可控地进行吸氢和放氢，并使系统能有效、安全工作。本太阳能-金属氢化物加热装置使用过程中，根据系统中压力及其变化率，来确定系统中单向阀的开启与关闭及其开启时的开启度。
进一步，所述的加热装置还包括温差电池。
进一步，所述的温差电池设置在多层不锈钢罐一侧/或太阳能聚光板一侧。
进一步，所述的电子集路盒包括压力传感器和增压器。
进一步，所述的多层不锈钢罐为双层不锈钢罐，进液口、出液口设置于双层不锈钢罐的端面上且靠近端面底部，进液口与出液口之间设有金属隔板。
进一步，所述的太阳能聚光板呈圆弧状。
进一步，太阳能聚光板的长度略长于多层不锈钢罐。
本发明针对现有技术中的不足和缺陷，提供一种太阳能-金属氢化物储热装置，使其具有热水器功能，该装置将太阳能聚光后产生的热能通过金属氢化物转换成氢气，并利用高压储氢钢瓶存储起来。通过金属与氢气之间可逆反应的热效应，实现热量的存储与释放。
本发明结构简单，利用金属氢化物在吸/放氢过程中巨大的热效应，通过增加高压储氢钢瓶，实现热量的循环释放/储存，能够避免太阳能利用时的间歇性，通过金属氢化物吸氢过程放热就可以实现用水的加热，不受时间限制，利用金属氢化物储热可将间歇性太阳能能量转化为可长时间储存的能源。
本装置即用即热，结构简单，不需考虑保温的能量损失，使用温差电池对压力传感器和增压器供电，无需外界能源，且能大大降低天气对储热装置的影响。
本发明有效实现热能的储存和全天候的供应，克服了太阳能供应的间歇缺点，能量密度大，并符合绿色减排，节能低碳原则。
本发明以太阳能作为驱动能源，不需要消耗电能，具有节能作用；所利用的氢能为清洁可再生能源，对装置无腐蚀，对环境无危害；以金属氢化物吸氢时的反应热来加热冷_水，实现热水器的功能，且反应热一般都比较高，如MgH2一般都在70-75KJ·mol-1H2，MgH2吸放氢时释放的热量是普通太阳能热水器储热的二十多倍，故加热效率比较高，提高了能源利用率，节省了时间；本发明装置中没有运动部件，不存在磨损，无噪音，使用寿命长。此外，还可以选用来源广泛、成本较低的金属氢化物，这样有利于推广应用。
附图说明
图1为本发明太阳能-金属氢化物加热装置结构示意图；
图2为本发明实施例1的双层不锈钢罐端面正视图；
图3为本发明实施例1的双层不锈钢罐横截面图；
图4为本发明实施例2的双层不锈钢罐端面正视图；
图5为本发明实施例2的双层不锈钢罐横截面图；
图中，1.太阳能集热板 2.温差电池 3.多层不锈钢罐 4.进液口 5.进气口 6.出气口 7.出液口 8.单向阀I 9.单向阀II 10.压力传感器 11.增压器 12.电子集路盒 13.高压储氢钢瓶 14.有孔金属支架 15.金属隔板。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明的太阳能-金属氢化物加热装置，该加热装置包括太阳能聚光板1、多层不锈钢罐3、高压储氢钢瓶13，其中，所述的多层不锈钢罐3包括内层金属氢化物反应池及外层储液池，内层反应池装有金属氢化物，待加热液体流经外层储液池，外层储液池的外周壁设有进液口4、出液口7，内层金属氢化物反应池的端面设有进气口5、出气口6，多层不锈钢罐3通过支架安装在太阳能聚光板1上方，多层不锈钢罐3的内层金属氢化物反应池的出气口6通过出气管连接至高压储氢钢瓶13的进口，高压储氢钢瓶13的出口通过进气管连接至多层不锈钢罐3的内层金属氢化物反应池的进气口5，出气管、进气管上分别设有单向阀I 8、单向阀II 9，且出气管、进气管上连接有电子集路盒12。具体地，多层不锈钢罐3的内层金属氢化物反应池的出气口6通过单向阀I 8、电子集路盒12与高压储氢钢瓶13的进口相连，高压储氢钢瓶13的出口通过电子集路盒12、单向阀II 9和与多层不锈钢罐3的内层金属氢化物反应池的进气口5相连。
本装置工作原理如下，储氢：太阳能聚光板1加热多层不锈钢灌3，热量通过金属支架14和金属隔板15传入内层金属氢化物反应池，内层金属氢化物反应池中的金属氢化物吸热分解放出氢气，经出气口6和增压器11进入高压储氢钢瓶13。加热液体：将待加热液体从本加热装置的进液口4注入至多层不锈钢罐3的外层储液池，同时将储存于高压_储氢钢瓶13中的氢气经不锈钢罐3进气口5通入多层不锈钢罐3的内层金属氢化物反应池，利用内层金属氢化物反应池中金属与氢气的化学反应释放的热量进行加热，加热后的液体从出液口7流出以获得经加热后的液体。
所述的装置在加热液体时，首先将待加热液体通入多层不锈钢罐3外层储液池，然后，利用压力传感器10探测单向阀II 9左侧管道的压力值，当压力小于反应设定压力下限时，打开单向阀II 9将氢气从高压储氢钢瓶13通入多层不锈钢罐3内层金属氢化物反应池中；当压力传感器10探测到压力大于反应设定压力上限，关闭单向阀II 9，停止通入氢气。最后，利用多层不锈钢罐3内层金属氢化物反应池中的金属与所通入氢气反应放出热量加热多层不锈钢罐3外层储液池中的液体。
本太阳能-金属氢化物加热装置利用金属与氢气之间的反应为可逆反应并伴随明显的热效应。本装置在储热时多层不锈钢罐3外层储液池不通入待加热液体，储热时多层不锈钢罐3内层金属氢化物反应池中的金属氢化物吸热分解放出氢气，压力传感器10探测到当所通入的氢气压力大于某一压力范围时，增压器11将氢气增压至一定值进入高压储氢钢瓶13。太阳能-金属氢化物加热装置中，金属氢化物反应池的出口通过单向阀I 8、压力传感器10和增压器11与高压储氢钢瓶13的进口相连，高压储氢钢瓶13的出口通过单向阀II 9和压力传感器10与多层不锈钢罐3的内层金属氢化物反应池的进口相连，双层不锈钢罐3设在太阳能聚光板1上方，太阳能聚光板1一侧设置温差电池2，利用环境温度和双层不锈钢罐3的高温进行发电，供电子集路盒12使用。
进一步，所述的热水器还包括温差电池2，温差电池2依靠双层不锈钢罐3的高温和环境之间的温差发电，供应压力传感器10、增压器11等的用电，无需外界能源。
进一步，所述的温差电池2设置在多层不锈钢罐3一侧/或太阳能聚光板1一侧。
进一步，所述的电子集路盒12包括压力传感器10和增压器11。通过压力传感器10监测管道内的气体压强以控制单向阀8、9的开关和增压器11的运行。
进一步，所述的多层不锈钢罐3为双层不锈钢罐。多层不锈钢罐3的进液口4、出液口7的位置可根据需要灵活设置于不锈钢罐的外周和/或端面。优选的，进液口4、出液口7设置于双层不锈钢罐的端面上且靠近端面底部，该情况下，进液口4与出液口7之间设有金属隔板15，以将进液口、出液口隔开，控制水流方向；考虑到为增加导热效率，有孔金属支架14和金属隔热板15材质可选为纯铜、不锈钢等。优选的，进液口设置于双层不锈钢罐的端面上且靠近端面底部4，出液口7设置于双层不锈钢罐的端面上且靠近端面顶部，该情况下，双层不锈钢罐储液层靠有孔金属支架14连接；考虑到为增加导热效率，有孔金属支架14材质可选为纯铜、不锈钢等。
进一步，所述的太阳能聚光板1呈圆弧状，此结构更适合聚光。
进一步，太阳能聚光板1的长度略长于多层不锈钢罐3。
双层不锈钢罐3内层是发生化学反应的金属氢化物反应池，外层注水，内层与外层之间由带孔的金属支架14用以支撑，氢气从进气口5进入双层不锈钢罐3，吸氢过程需在氢气压力达到一定压值时反应进行，通过高压储氢钢瓶放出的氢气完全可以实现。双层不锈钢罐3的外层注水流动，吸收高压氢气和金属化合放热的能量，经过加热后为家用热水。金属氢化物放氢时氢气从出气口6进入储氢钢瓶13，该过程吸热，常压下，温度在300℃时反应进行，太阳能聚光板最高可达到400℃，完全可以达成条件。
该储热装置不产生热水时，双层不锈钢罐3的外层不注水；热水供应时，冷水从注入口4注入，全封无孔隔板15使得水在注水侧注满后才会流向另一侧，水从有孔支架14中流过，这样冷水受到充分加热，再从出液口7流出热水。白天有太阳光照射时，关闭单向阀II9，打开单向阀I 8。太阳能聚光板1将热量集于双层不锈钢罐3，热量通过金属支架14和15(此时外层不放水)传入内层金属氢化物反应池。金属氢化物反应池被充分加热后，双层不锈钢罐3内层的金属氢化物开始发生化学反应分解出氢气，生成的氢气经出气口6流往增压器11，当压力传感器10左侧氢气的压力大于某一值，增压器开始工作，将氢气增压，送入高压储氢钢瓶13储存起来。当居民使用热水器时，关闭阀门I 8，打开阀门II 9。储氢钢瓶13出口管道所连的压力传感器10左侧压力小于某一值，打开阀门II9；当压力增大到一定范围时，再关闭阀门II 9。通过这个方式控制反应压强，使放热速率为适宜状态。压力传感器10和增压器11均放置于电子集路盒12中，温差电池2设置在太阳能聚光板1一侧，依靠双层不锈钢罐3的高温和环境之间的温差发电，供应压力传感器10、增压器11等的用电，无需外界能源。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。
实施例1
本实施例的太阳能-金属氢化物加热装置，如图1-3所示，其中，多层不锈钢罐3为双层结构，内层金属氢化物反应池的长度为1.1m，横截面直径为0.4m，厚度为0.02m，外层储液池厚度为0.05m，太阳能聚光板1展开宽度1.5m，高压储氢钢瓶13高1.4m，截面直径为0.8m。该实施例1太阳能-金属氢化物加热装置还设有隔板15。
储氢时多层不锈钢罐3外层不注待加热液体，太阳能聚光板1加热多层不锈钢灌3，热量通过有孔金属支架14和金属隔板15传递至多层不锈钢灌3内层金属氢化物反应池，内层金属氢化物反应池填充金属氢化物，内层金属氢化物反应池中的金属氢化物吸热分解放出氢气。单向阀I 8打开，单向阀II 9关闭，生成的氢气经出气口6流往增压器11，当压力传感器10左侧H2的压力大于0.3MPa，增压器开始工作，将氢气增压至15MPa，送入高压储氢钢瓶13储存起来。当加热液体时，进液口4通入待加热液体，并关闭单向阀I 8。高压储氢钢瓶13出口管道所连的压力传感器10左侧压力小于3.0MPa，打开单向阀II 9；大于3.5MPa时，再关闭单向阀II 9。通过这个方式控制反应压强，使放热速率为适宜状态。加热后的液体由出液口7流出，可供使用。压力传感器10和增压器11均放置于电子集路盒12中，温差电池2设置在多层不锈钢罐3一侧/或太阳能聚光板1一侧，依靠多层不锈钢罐3/或太阳能聚光板1的高温和环境之间的温差发电，供应单向阀I8、单向阀II 9、压力传感器10和增压器11的用电，无需外界能源。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，如图4-5所示，进液口4设置在多层不锈钢罐3储液层下部，出液口7设置在多层不锈钢罐3储液层上部
储氢时多层不锈钢罐3外层不注待加热液体，太阳能聚光板1加热多层不锈钢灌3，热量通过有孔金属支架14传递至多层不锈钢灌3内层金属氢化物反应池，多层不锈钢灌3内层金属氢化物反应池填充金属氢化物，内层金属氢化物反应池中的金属氢化物吸热分解放出氢气。单向阀I 8打开，单向阀II 9关闭，生成的氢气经出气口6流往增压器11，当压力传感器10左侧氢气的压力大于0.3MPa，增压器开始工作，将氢气增压至15MPa，送入高压储氢钢瓶13储存起来。当加热液体时，进液口4通入待加热液体，并关闭单向阀I 8。高压储氢钢瓶13出口管道所连的压力传感器10左侧压力小于3.0MPa，打开单向阀II 9；大于3.5MPa时，再关闭单向阀II 9。通过这个方式控制反应压强，使放热速率为适宜状态。加热后的液体由出液口7流出，可供使用。压力传感器10和增压器11均放置于电子集路盒12中，温差电池2设置在多层不锈钢罐3一侧/或太阳能聚光板1一侧，依靠多层不锈钢罐3/或太阳能聚光板1的高温和环境之间的温差发电，供应单向阀I 8、单向阀II 9、压力传感器10和增压器11的用电，无需外界能源。
Claims (5)
1.一种太阳能-金属氢化物加热装置，其特征在于：该加热装置包括太阳能聚光板(1)、多层不锈钢罐(3)、高压储氢钢瓶(13)，其中，所述的多层不锈钢罐(3)包括内层金属氢化物反应池及外层储液池，外层储液池的外周壁设有进液口(4)、出液口(7)，内层金属氢化物反应池的端面设有进气口(5)、出气口(6)，多层不锈钢罐(3)通过支架安装在太阳能聚光板(1)上方，多层不锈钢罐(3)的内层金属氢化物反应池的出气口(6)通过出气管连接至高压储氢钢瓶(13)的进口，高压储氢钢瓶(13)的出口通过进气管连接至多层不锈钢罐(3)的内层金属氢化物反应池的进气口(5)，出气管、进气管上分别设有单向阀I(8)、单向阀II(9)，且出气管、进气管上连接有电子集路盒(12)；具体地，多层不锈钢罐(3)的内层金属氢化物反应池的出气口(6)通过单向阀I(8)、电子集路盒(12)与高压储氢钢瓶(13)的进口相连，高压储氢钢瓶(13)的出口通过电子集路盒(12)、单向阀II(9)和与多层不锈钢罐(3)的内层金属氢化物反应池的进气口(5)相连；
所述的加热装置还包括温差电池(2)；
所述的温差电池(2)设置在多层不锈钢罐(3)一侧/或太阳能聚光板(1)一侧。
2.根据权利要求1所述的太阳能-金属氢化物加热装置，其特征在于，所述的电子集路盒(12)包括压力传感器(10)和增压器(11)。
3.根据权利要求1所述的太阳能-金属氢化物加热装置，其特征在于，所述的多层不锈钢罐(3)为双层不锈钢罐，进液口(4)、出液口(7)设置于双层不锈钢罐的端面上且靠近端面底部，进液口(4)与出液口(7)之间设有金属隔板(15)。
4.根据权利要求1所述的太阳能-金属氢化物加热装置，其特征在于，所述的太阳能聚光板(1)呈圆弧状。
5.根据权利要求1所述的太阳能-金属氢化物加热装置，其特征在于，太阳能聚光板(1)的长度略长于多层不锈钢罐(3)。
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