CN113295031B - 固液组合蓄冷热器及储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种固液组合蓄冷热器及储能系统。固液组合蓄冷热器包括填充床容器，填充床容器中设置有内筒，内筒中装填有固相工质，填充床容器的顶部和底部分别开设有第一端口和第二端口；盘管，绕设于内筒，且盘管中填充有液相工质。该固液组合蓄冷热器具有能量回收的功能，耦合了液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升。在释能后剩余的部分能量能够被再次回收利用，提高了系统的能量利用效率。由于使用了固相工质和液相工质两种工质用于蓄冷和或蓄热，进而减少了液相工质的用量，降低了运行成本。而且由于液相工质的传热装置采用盘管的形式，削弱了液相工质的轴向导热，提高了系统的储能效率。

Description

固液组合蓄冷热器及储能系统

技术领域

本发明涉及蓄冷设备领域，特别是涉及一种固液组合蓄冷热器及储能系统。

背景技术

随着可再生能源发电装机容量不断扩增，其波动性电力输出对电网系统的安全和稳定性的影响也越来越显著，为其发电并网带来了严峻挑战。在再生能源发电系统中引入储能模块，将富余电力进行存储，并在需要时对外释放，可以实现可再生能源向电网系统进行平稳可靠的电力输出，提升电网接纳新能源发电的能力。其中，具有储能规模大、效率高、投资成本低、能量密度高的液态空气储能技术吸引了广泛的关注。蓄冷单元是液态空气储能的核心单元和重要组成部分，冷能的回收效率将显著影响系统的循环效率。

蓄冷、蓄热技术是利用蓄冷、蓄热材料将冷能和热量储存起来，并在需要时释放的技术，可以解决热能供给与需求在时间、空间或强度上的匹配问题，最大限度地提高系统能源利用率。目前蓄冷、蓄热技术已获广泛应用。

填充床结构的蓄冷、蓄热器是一种技术成熟、结构简单的蓄冷、蓄热装置。但通常填充的固体石子与空气间的换热温差大，固相蓄冷工质会不可避免地产生轴向导热，造成系统蓄冷效率较低，从而严重制约了液态空气储能系统的整体储能效率。采用液相工质蓄冷时，虽然液相蓄冷过程传热装置也存在轴向导热，但不那么显著，系统的蓄冷效率能维持在较高的水平。不过，采用液相工质蓄冷时，系统的运行成本较固相蓄冷高。

目前的蓄冷、蓄热装置常仅基于某一种蓄冷、蓄热方式，如仅采用液相蓄冷/热或仅采用固相蓄冷/热，无法规避单独蓄冷/热方式的弊端。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种固液组合蓄冷热器，能够耦合液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升，还能够降低运行成本。

本发明实施例提供一种固液组合蓄冷热器，包括：

填充床容器，所述填充床容器中设置有内筒，所述内筒中装填有固相工质，所述填充床容器的顶部和底部分别开设有第一端口和第二端口；

盘管，绕设于所述内筒，且所述盘管中填充有液相工质。

根据本发明第一方面实施例提供的固液组合蓄冷热器，通过在填充床容器中的内筒中设置固相工质，在盘管中填充液相工质，使得该固液组合蓄冷热器对比传统的填充床结构固相蓄冷热器，具有能量回收的功能，耦合了液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升。在释能后剩余的部分能量能够被再次回收利用，用于系统的供冷和供热，提高了系统的能量利用效率。由于使用了固相工质和液相工质两种工质用于蓄冷和或蓄热，进而减少了液相工质的用量，降低了运行成本。而且由于液相工质的传热装置采用盘管的形式，在一定程度上削弱了液相工质的轴向导热，进一步提高了系统的储能效率。

根据本发明的一个实施例，在所述填充床容器与所述第一端口对应的位置设置有第一均布器，在所述填充床容器与所述第二端口对应的位置设置有第二均布器。

根据本发明的一个实施例，所述第一均布器和/或第二均布器呈板状，所述第一均布器和/或第二均布器上开设有通孔；

由所述第一均布器的中心向所述第一均布器的边缘，所述通孔的孔径逐渐增大；和/或，

由所述第二均布器的中心向所述第二均布器的边缘，所述通孔的孔径逐渐增大。

根据本发明的一个实施例，所述盘管呈螺旋状，且沿所述内筒的高度方向螺旋绕设。

根据本发明的一个实施例，还包括：

冷能回收回路，所述冷能回收回路上连接有第一风机和供冷装置，所述冷能回收回路连接于所述第一端口和所述第二端口；

热能回收回路，所述热能回收回路上连接有第二风机和供热装置，所述热能回收回路连接于所述第一端口和所述第二端口。

根据本发明的一个实施例，还包括保温层，所述保温层包覆于所述填充床容器的外周。

根据本发明的一个实施例，所述填充床容器的外壁面与所述填充床容器的内壁面之间形成有容纳空间，所述保温层填充于所述容纳空间。

根据本发明的一个实施例，所述填充床容器的内壁面呈波浪形和/或所述填充床容器的外壁面阶梯形。

根据本发明的一个实施例，所述固相工质的外表面形成有多个沉孔。

本发明第二方面实施例提供一种空气储能系统，包括上述的固液组合蓄冷热器。

根据本发明第二方面实施例提供的空气储能系统，通过设置本发明第一方面实施例中的固液组合蓄冷热器，使得该空气储能系统具有能量回收的功能，并耦合了液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升。在释能后剩余的部分能量能够被再次回收利用，用于系统的供冷和供热，提高了系统的能量利用效率。由于使用了固相工质和液相工质两种工质用于蓄冷和或蓄热，进而减少了液相工质的用量，降低了运行成本。而且由于液相工质的传热装置采用盘管的形式，在一定程度上削弱了液相工质的轴向导热，进一步提高了系统的储能效率。

本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

根据本发明第一方面实施例提供的固液组合蓄冷热器，通过在填充床容器中的内筒中设置固相工质，在盘管中填充液相工质，使得该固液组合蓄冷热器对比传统的填充床结构固相蓄冷热器，具有能量回收的功能，耦合了液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升。在释能后剩余的部分能量能够被再次回收利用，用于系统的供冷和供热，提高了系统的能量利用效率。由于使用了固相工质和液相工质两种工质用于蓄冷和或蓄热，进而减少了液相工质的用量，降低了运行成本。而且由于液相工质的传热装置采用盘管的形式，在一定程度上削弱了液相工质的轴向导热，进一步提高了系统的储能效率。

根据本发明第二方面实施例提供的空气储能系统，通过设置本发明第一方面实施例中的固液组合蓄冷热器，使得该空气储能系统具有能量回收的功能，并耦合了液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升。在释能后剩余的部分能量能够被再次回收利用，用于系统的供冷和供热，提高了系统的能量利用效率。由于使用了固相工质和液相工质两种工质用于蓄冷和或蓄热，进而减少了液相工质的用量，降低了运行成本。而且由于液相工质的传热装置采用盘管的形式，在一定程度上削弱了液相工质的轴向导热，进一步提高了系统的储能效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的固液组合蓄冷热器的示意性结构图；

图2为本发明实施例提供的一种填充床容器的示意性结构图；

图3为本发明实施例提供的另一种填充床容器的示意性结构图；

图4为本发明实施例提供的第一均布器的示意性结构图；

图5为本发明实施例提供的固相工质的示意性结构图。

附图标记：

100、填充床容器；102、内筒；104、固相工质；106、第一端口；108、第二端口；110、盘管；112、第一均布器；114、第二均布器；116、通孔；118、冷能回收回路；120、第一风机；122、供冷装置；124、热能回收回路；126、第二风机；128、供热装置；130、沉孔；132、隔热层。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1至图5所示，本发明第一方面实施例提供一种固液组合蓄冷热器，包括：

填充床容器100，填充床容器100中设置有内筒102，内筒102中装填有固相工质104，填充床容器100的顶部和底部分别开设有第一端口106和第二端口108；

盘管110，绕设于内筒102，且盘管110中填充有液相工质。

根据本发明第一方面实施例提供的固液组合蓄冷热器，通过在填充床容器100中的内筒102中设置固相工质104，在盘管110中填充液相工质，使得该固液组合蓄冷热器对比传统的填充床结构固相蓄冷热器，具有能量回收的功能，耦合了液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升。在释能后剩余的部分能量能够被再次回收利用，用于系统的供冷和供热，提高了系统的能量利用效率。由于使用了固相工质104和液相工质两种工质用于蓄冷和或蓄热，进而减少了液相工质的用量，降低了运行成本。而且由于液相工质的传热装置采用盘管110的形式，在一定程度上削弱了液相工质的轴向导热，进一步提高了系统的储能效率。

具体来说，在本发明第一方面实施例提供的固液组合蓄冷热器中，主要包括填充床容器100和盘管110。其中，填充床容器100用于为冷流体或热流体提供热交换的空间。也即，在本发明实施例中，冷流体或热流体均被通入填充床容器100中以实现换热，以此来蓄冷、释热或者蓄热、释冷。

请继续参见图1，在填充床容器100中设置有内筒102，其中内筒102中装填有固相工质104。内筒102的表面均匀地开设有小孔，这样能够使得与固相工质104的换热的空气和与液相工质换热的空气在填充床容器100中对流、混合均匀。

根据本发明的一个实施例，参见图5，固相工质104的外表面形成有多个沉孔130。

可以理解的是，不同粒径大小的固相工质104相互混合使用以实现较小孔隙率。在其中较大粒径的固相工质104的表面进行粗糙化或打孔处理，促进其与换热流体的充分换热。

在内筒102上还绕设有盘管110，在盘管110中填充有液相工质。

需要说明的是，当固液组合蓄冷热器用作蓄冷器时，固相工质104可采用岩石或混凝土等材料，液相工质可采用有机工质或混合工质等；当固液组合蓄冷热器用作蓄热器时，固相工质104可采用陶瓷、耐火砖等材料，液相工质可采用导热油、熔融盐等。

在填充床容器100的顶部和底部分别开设有用于流入热流体和冷流体的第一端口106和第二端口108。换而言之，当该固液组合蓄冷热器用于蓄冷或释热时，冷流体能够通过第二端口108流入填充床容器100中。当该固液组合蓄冷热器用于蓄热或释冷时，热流体能够通过第一端口106流入填充床容器100中。

也即，当固液组合蓄冷热器用于蓄冷或释热时，冷流体(实施例中以-170至-180℃的低温空气为例)从固液组合蓄冷热器的第二端口108流入填充床容器100。

低温空气流入填充床容器100内，并与内筒102中的固相工质104(实施例中采用岩石)及盘管110内的液相工质(实施例中采用R32和R23的混合工质)进行换热。液相工质R32和R23混合工质自上向下流经盘管110。

当固液组合蓄冷热器用于蓄热或释冷时，热流体(实施例中以100至110℃的高温空气为例)从固液组合蓄冷热器的第一端口106流入填充床容器100，高温空气均匀分布并与内筒102中的固相工质104(实施例用采用耐火砖材料)及盘管110中的液相工质(实施例中采用导热油)进行换热。导热油自下向上流经盘管110。

根据本发明的一个实施例，在填充床容器100与第一端口106对应的位置设置有第一均布器112，在填充床容器100与第二端口108对应的位置设置有第二均布器114。

通过在填充床容器100中与第一端口106和第二端口108对应的位置分别设置第一均布器112和第二均布器114，能够使得流入填充床容器100中的冷流体、热流体均匀地进入到填充床容器100中，进而能够实现更好的换热效果。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，第一均布器112和/或第二均布器114呈板状，第一均布器112和/或第二均布器114上开设有通孔116；由第一均布器112的中心向第一均布器112的边缘，通孔116的孔径逐渐增大；和/或由第二均布器114的中心向第二均布器114的边缘，通孔116的孔径逐渐增大。

在本发明实施例中，第一均布器112和第二均布器114均设置成类似于原板状的结构，在第一均布器112和第二均布器114上设置有直径不同的通孔116，这是由于考虑到第一端口106和第二端口108的口径通常远小于填充床容器100内部的直径，为避免冷流体和热流体集中于中心进入填充床容器100中，由第一均布器112的中心向第一均布器112的边缘，通孔116的孔径逐渐增大，同理，由第二均布器114的中心向第二均布器114的边缘，通孔116的孔径逐渐增大。

当然，在其他的一些实施例中，也可通过其他方式实现上述目的，例如，可在第一均布器112和第二均布器114上开设宽度不等的格栅等。

或者可根据实际情况，灵活地选择第一均布器112、第二均布器114的设置方式。

根据本发明的一个实施例，盘管110呈螺旋状，且沿内筒102的高度方向螺旋绕设。

参见图1，在本发明实施例中，为了实现更好的换热效果，盘管110呈螺旋状，且沿内筒102的高度方向螺旋绕设。通过将盘管110设置成螺旋状，可以削弱液相介质在蓄冷、蓄热过程中的轴向导热。盘管110可以采用不锈钢管、螺旋内翅片管或螺旋外翅片管制成。盘管110可以采用单层缠绕结构或多层缠绕结构。在本发明实施例中，盘管110为多层缠绕结构且采用螺旋外翅片管制成。需要说明的是，为了实现对盘管110的固定，内筒102的外径稍小于盘管110的内径以实现对盘管110的支撑固定。

请继续参见图1，根据本发明的一个实施例，该固液组合蓄冷热器还包括冷能回收回路118和热能回收回路124。其中，冷能回收回路118上连接有第一风机120和供冷装置122，冷能回收回路118连接于第一端口106和第二端口108；热能回收回路124上连接有第二风机126和供热装置128，热能回收回路124连接于第一端口106和第二端口108。

可以理解的是，当固液组合蓄冷热器需要彻底释放剩余冷能时，中温空气通过冷能回收回路118中的第一风机120引流，从第一端口106进入固液组合蓄冷热器，经过换热获得剩余冷能，然后流经供冷装置122释放回收的冷能，实现系统的供冷。

当固液组合蓄冷热器需要彻底释放剩余热能时，常温空气流体通过热能回收回路124中的第二风机126引流，从第二端口108进入固液组合蓄冷热器，经过换热获得剩余热能，然后流经供热装置128释放回收的热能，实现系统的供热。

根据本发明的一个实施例，固液组合蓄冷热器还包括保温层，保温层包覆于填充床容器100的外周；填充床容器100的外壁面与填充床容器100的内壁面之间形成有容纳空间，保温层填充于容纳空间。

通过在填充床容器100的外壁面与填充床容器100的内壁面之间的容纳空间中填充保温层，能够避免外界环境向固液组合蓄冷热器的漏热。保温层可采用聚酯类的保温棉、发泡保温材料或真空结构实现。在本发明实施例中，保温层采用聚酯类保温棉制成。

参见图2和图3，根据本发明的一个实施例，填充床容器100的内壁面呈波浪形和/或填充床容器100的外壁面阶梯形。

通过将填充床容器100的内壁面设置成波浪形，能够在波浪形的凸起中间隔固定设置多个隔热层132，通过隔热层132将填充床容器100的内部空间分隔为至少两部分，有效地削弱轴向导热在蓄能、释能过程中的累计作用，减缓斜温层的扩展。

进一步地，隔热层132可以设置多个，多个隔热层132之间的距离不同，靠近第一端口106和第二端口108位置的隔热层132的间距小，远离第一端口106第二端口108位置的隔热层132的间距大。因为在稳定运行时，靠近第二端口108和第一端口106的位置分别对应蓄热、释冷以及蓄冷、释热过程中的温度场的温度梯度段，采用更为密集的间隔层，能够有效削弱轴向导热累计作用，提高蓄热、蓄冷、释冷以及释热的效率。

本发明第二方面实施例提供一种空气储能系统，包括上述的固液组合蓄冷热器。

根据本发明第二方面实施例提供的空气储能系统，通过设置本发明第一方面实施例中的固液组合蓄冷热器，使得该空气储能系统具有能量回收的功能，并耦合了液相蓄冷热的能力，传热效率高，提高了蓄冷热过程的储能效率，有利于系统效率的提升。在释能后剩余的部分能量能够被再次回收利用，用于系统的供冷和供热，提高了系统的能量利用效率。由于使用了固相工质104和液相工质两种工质用于蓄冷和或蓄热，进而减少了液相工质的用量，降低了运行成本。而且由于液相工质的传热装置采用盘管110的形式，在一定程度上削弱了液相工质的轴向导热，进一步提高了系统的储能效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固液组合蓄冷热器，其特征在于，包括：

填充床容器(100)，所述填充床容器(100)中设置有内筒(102)，所述内筒(102)中装填有固相工质(104)，所述填充床容器(100)的顶部和底部分别开设有第一端口(106)和第二端口(108)；

盘管(110)，绕设于所述内筒(102)，且所述盘管(110)中填充有液相工质，在蓄冷或释热时，液相工质自上向下流经所述盘管(110)，在蓄热或释冷时，液相工质自下向上流经所述盘管(110)；

所述固相工质(104)的外表面形成有多个沉孔(130)；

所述填充床容器(100)的内壁面呈波浪形和/或所述填充床容器(100)的外壁面阶梯形；

冷能回收回路(118)，所述冷能回收回路(118)上连接有第一风机(120)和供冷装置(122)，所述冷能回收回路(118)连接于所述第一端口(106)和所述第二端口(108)；

热能回收回路(124)，所述热能回收回路(124)上连接有第二风机(126)和供热装置(128)，所述热能回收回路(124)连接于所述第一端口(106)和所述第二端口(108)。

2.根据权利要求1所述的固液组合蓄冷热器，其特征在于，在所述填充床容器(100)与所述第一端口(106)对应的位置设置有第一均布器(112)，在所述填充床容器(100)与所述第二端口(108)对应的位置设置有第二均布器(114)。

3.根据权利要求2所述的固液组合蓄冷热器，其特征在于，所述第一均布器(112)和/或第二均布器(114)呈板状，所述第一均布器(112)和/或第二均布器(114)上开设有通孔(116)；

由所述第一均布器(112)的中心向所述第一均布器(112)的边缘，所述通孔(116)的孔径逐渐增大；和/或，

由所述第二均布器(114)的中心向所述第二均布器(114)的边缘，所述通孔(116)的孔径逐渐增大。

4.根据权利要求1所述的固液组合蓄冷热器，其特征在于，所述盘管(110)呈螺旋状，且沿所述内筒(102)的高度方向螺旋绕设。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的固液组合蓄冷热器，其特征在于，还包括保温层，所述保温层包覆于所述填充床容器(100)的外周。

6.根据权利要求5所述的固液组合蓄冷热器，其特征在于，所述填充床容器(100)的外壁面与所述填充床容器(100)的内壁面之间形成有容纳空间，所述保温层填充于所述容纳空间。

7.一种空气储能系统，其特征在于，包括如权利要求1至6中任一项所述的固液组合蓄冷热器。

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