CN113865401B - 储热系统及储热方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种储热系统及储热方法，储热系统包括：热化学储热装置，包括导电储热单元，所述导电储热单元储存经太阳能和/或外部的电能转化的热能；控制器，与所述热化学储热装置连接，所述控制器通过计算所述热化学储热装置的储热余量，并在储热余量大于0时，控制直接输送电能至所述导电储热单元，所述储热余量为所述热化学储热装置的储热量与其存储的太阳能转化的热量的差值。通过控制器计算热化学储热装置的储热余量，并在太阳能不足时，控制输送电能至热化学储热装置，将电能转化为热能储存，提高了导电储热单元的利用率并降低了能量损失，提升廉价谷电的利用率，同时解决了弃风造成的消纳问题。

Description

储热系统及储热方法

技术领域

本发明涉及储热技术领域，具体为一种储热系统及储热方法。

背景技术

根据国际能源署(IEA)的预测，美国、中东、中国、非洲及印度的太阳能热发电在未来十几年将进入爆发期。预计至2050年，太阳能热发电将占全球总发电量的11％，年发电量将达到4.38万亿kwh，太阳能热光热储热具有广阔的前景。与此同时，由于目前夜间用电量小，导致用电谷峰差加大，造成电力大量损失。有效利用低谷电可以达到削峰填谷的目的。此外，由于风能的波动性和间歇性，导致风能发出的电能会有波动，将其并网会破坏电网稳定性、连续性和可调性，存在影响电网安全的问题，所以出现了因风能发电量过剩造成的弃风弃电问题，因此将廉价“低谷电”或风能产生的废弃电能转化为化学能进行存储并利用可逆化学反应在需要时取用，可促进弃电的消纳，而且提高系统利用率。

当前储热系统由于原理不同，主要分为显热储热、潜热储热以及热化学储热三种。热化学储热是基于可逆热化学反应吸热与放热的储热方式，主要反应体系有金属氧化物体系、氢氧化物体系、氨基体系、甲烷重整体系、碳酸盐体系等。其中金属氧化物体系具有较大的储能密度(>400kJ/kg)和较高的操作温度(>700℃)，同时空气不仅可以作为传热介质，也作为热化学反应介质，故可省去气体存储装置，使得系统规模小型化，也减少了价格成本。

但太阳能对气候依赖性较强，气候适宜时产热量远大于气候不适宜时的产热量，从而当来自太阳能的热量较少时，使得热化学储热系统中金属氧化物储热单元不能被完全利用，导致系统整体利用率下降。此外，电能经电加热器加热空气后再将热量传递给储热单元，会使得一部分热能在传递中损失，降低加热效率以及系统利用率，同时会影响系统储热反应性能。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种储热系统，通过控制器计算热化学储热装置的储热余量，在储热余量大于0时，控制输送电能至热化学储热装置，将电能转化为热能储存，提高了导电储热单元的利用率；利用热化学储热装置的热化学反应储存太阳能和/或电能转化的热能，具有储/放热效率高、缩短储热时间的优点。此外电能的转化不经过电加热器，降低了能量损失，提高了加热效率以及电能的利用率。

本发明提供一种储热系统，包括：

热化学储热装置，包括多个导电储热单元，多个导电储热单元储存经太阳能和/或外部的电能转化的热能；

控制器，与热化学储热装置连接，控制器通过计算热化学储热装置的储热余量，并在储热余量大于0时，控制直接输送外部的电能至导电储热单元，储热余量为热化学储热装置的储热量与其存储的太阳能转化的热量的差值。

通过上述方式，将太阳能转化的热能进行储存，提高了能源的利用率，另一方面，利用热化学储热装置中具有良好反应特性、循环性能和导电性能的导电储热单元，使其发生还原/氧化反应，由于电流的热效应，及导电储热单元自身导电性能将电能转化为热能进行储存，可有效减少传热损失，从而提高系统储热量及利用率，减少能源消耗量和储热时间。

本发明的可选技术方案中，还包括：太阳能集热装置，太阳能集热装置与热化学储热装置连接，太阳能集热装置将太阳能转化为热能，进而传递至热化学储热装置。

通过上述方式，太阳能经过太阳能集热装置将空气加热后传递至热化学储热装置，从而进行能量储存。

本发明的可选技术方案中，电能为低谷电能和/或风能发电产生的废弃电力。

由于夜间用电量小，导致低谷电能较丰富，因此利用低谷电提供热源，不仅可提高经济性，还能提升廉价谷电利用率。此外，在时间上和地域上风能和太阳能的互补性有较好的衔接性，当由于天气状况太阳能产生的热量较少时，采用风能产生的废弃电力作为补充能源，能有效地解决弃风造成的消纳问题。

本发明的可选技术方案中，多个所述导电储热单元在所述热化学储热装置的内部空间内紧密堆积呈多层，各所述导电储热单元采用具有多孔结构的金属氧化物储热材料。

通过上述方式，导电储热单元具有良好的反应特性和循环性能，使得金属氧化物储热材料充分发挥效用，储热密度大且可长周期循环使用，提高系统经济性。此外，导电储热单元具有良好的导电性能，使得电能直接通过导电储热单元进行转化，而无需经过电加热器，也避免了电能经过电加热器加热空气后再进行传递造成的热量损失，从而降低加热效率以及系统利用率，同时会影响系统储热反应性能。

本发明的可选技术方案中，所述热化学储热装置还包括电热丝网，所述电热丝网呈多层网状地布置于所述热化学储热装置的内部空间，所述导电储热单元设置在多层所述电热丝网上。

通过上述方式，各个导电储热单元直接与电热丝网相接触，电热丝网呈网状布置便于空气在热化学储热装置内流通，增加热化学导电储热单元与空气的接触面积，使得可发生化学反应的活性物质增多，可高效地储/放热，在电流热效应的作用下，导电储热单元依靠自身的导电性能将电能转化为化学能进行储存，可有效减少传热损失，减少能源消耗量和储热时间，从而提高储热材料的能量储存转化率。

本发明的可选技术方案中，各层电热丝网之间通过并联方式连接，每两层所述导电储热单元共用一层所述电热丝网。

通过上述方式，热化学储热装置内每两层导电储热单元共用一层电热丝网，减少材料的耗用。各层电热丝网之间均通过并联方式连接，并联方式可保证当放置在热化学储热装置内的某一层电热丝网出现问题时，其余电热丝网层仍可正常工作来为导电储热单元传输电能，从而提高系统整体工作运行效率。

本发明另提供一种储热系统的储热方法，包括以下步骤：

热化学储热装置将太阳能转化的热能进行储存；

所述控制器计算所述热化学储热装置的储热余量；

在所述储热余量大于0时，所述控制器控制所述热化学储热装置将输入的电能转化为热能进行储存。

附图说明

图1为本发明第一实施方式的储热系统的结构示意图。

图2为本发明第二实施方式中热化学储热装置的主视示意图。

图3为本发明导电储热单元的结构示意图。

图4是本发明第二实施方式中电热丝网的结构示意图。

图5为本发明第三实施方式中热化学储热装置的主视示意图。

图6是本发明第三实施方式中电热丝网的结构示意图。

附图标记：

1-热化学储热装置；11-导电储热单元；12-电热丝网；2-控制器；3-太阳能集热装置；4-电能；41-低谷电能；42-风能发电产生的废弃电力；5-太阳能。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

第一实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种储热系统，包括：热化学储热装置1和控制器2，包括多个导电储热单元11，多个导电储热单元11储存经太阳能5和/或外部的电能4转化的热能；控制器2与热化学储热装置1连接，控制器2通过计算热化学储热装置1的储热余量，并在储热余量大于0时，控制直接输送外部的电能至导电储热单元11，储热余量为热化学储热装置1的储热量与其存储的太阳能转化的热量的差值。

具体来说，太阳能5和/或外部的电能4转化为热能储存的过程通过多个导电储热单元11实现，即多个导电储热单元11将其接收的太阳能5和/或外部的电能2转化的热能进行储存。热化学储热装置1的储热量是指热化学储热装置1的储热总量。这里的直接输送外部的电能是指不经过电加热器等中间路径。

通过上述方式，将太阳能转化的热能进行储存，提高了能源的利用率，另一方面，利用热化学储热装置1中具有良好反应特性、循环性能和导电性能的导电储热单元11，根据电流的热效应，导电储热单元11依靠自身的导电性能将外部的电能转化为热能进行储存，可有效减少传热损失，从而提高系统储热量及利用率，减少能源消耗量和储热时间；且本实施方式中导电储热单元11具有较快的储/放热速率，良好的循环稳定性能，高温下导电、导热性能优异，热膨胀系数较小，可以显著提高能源利用率。在太阳能不充足时，本发明采用外部的电能作为补充能源，通过热化学储热装置1将外部的电能转化为热能储存，以充分利用导电储热单元11的储热能力；控制器2可以计算热化学储热装置1的储热余量反馈到控制器2内，若储热量未饱满，即储热余量大于0，即可启动输入外部的电能，可确保整个导电储热单元11的热化学反应(还原/氧化反应)充分发生，充分利用导电储热单元11的储热能力，热化学储热装置1的储热量达到最大化，提高了热化学储热装置1的利用率。

本发明的优选技术方案中，储热系统还包括：太阳能集热装置3，太阳能集热装置3与热化学储热装置1连接，太阳能集热装置3将太阳能转化为热能，进而传递至热化学储热装置1。

通过上述方式，太阳能转化的热能储存在导电储热单元11中，实现了太阳能的高效储存，太阳能集热装置3的结构为本领域的常见应用形式，在此不再赘述。

本发明的优选技术方案中，电能4为低谷电能41和/或风能发电产生的废弃电力42。

具体而言，由于夜间用电量小，导致低谷电能41较丰富，因此利用低谷电作为热化学储热装置1的能量来源，不仅可提高经济性，还能提升廉价谷电的利用率。此外，在时间上和地域上风能和太阳能的互补性有较好的衔接性，当由于天气状况不佳导致太阳能产生的热量较少时，采用风能产生的废弃电力42作为补充能源，能有效地解决弃风造成的消纳问题。本发明利用廉价低谷电能41和/或风力发电产生的废弃电力42作为能量来源补充，直接将电流传递至具有良好反应特性、循环性能和导电性能的导电储热单元11，使其发生还原/氧化反应，降低了热量的损失及储存时间，提高了热量的储存效率。

本发明的优选技术方案中，多个所述导电储热单元11在所述热化学储热装置1的内部空间内堆积有多层。

通过上述方式，能够在热化学储热装置1的内部空间布置较多的导电储热单元11，提高热化学储热装置1内部空间的利用率以及热化学储热装置1的储热能力。进一步地，还应保持热化学储热装置1内空气的流通，使得导电储热单元11与空气发生热化学反应进行热量的存储。

具体而言，如图3所示，本实施方式中导电储热单元11呈圆柱状，导电储热单元11具有多孔结构，导电储热单元11采用金属氧化物储热材料，本发明导电储热单元11具有良好的反应特性和循环性能，使得金属氧化物储热材料能够充分发挥效用，热化学储热装置1的储热密度大且可长周期循环使用，提高系统经济性；多孔结构增大了导电储热单元11与空气的接触面积，促进了金属氧化物储热材料热化学反应的发生。此外，导电储热单元11具有良好的导电性能，使得电能直接通过导电储热单元11进行转化，而无需经过电加热器，简化热化学储热装置1内部结构设计，也避免了电能经过电加热器加热空气后再进行传递造成的热量损失，降低加热效率以及系统利用率，同时会影响系统储热反应性能。

具体而言，热化学储热装置1内所放置的导电储热单元11的储热量包括金属氧化物储热材料的化学反应储热量与显热储热量，显热储热量储存的是太阳能和/或电能提供热量的部分，可以通过热化学储热装置1内温度变化及变化时间计算；金属氧化物储热材料的化学反应储热量储存的是储热材料的化学反应热，可以根据金属氧化物储热材料的反应温度和反应时间推算出内部是否完全发生热化学反应储热，对于没有达到其完全储热的部分就利用电能来提供热量继续补充，使得导电储热单元11的储热量最大化。进一步地，金属氧化物导电储热单元11未发生还原/氧化反应时储存的热量是太阳能和/或电能等直接提供的显热，发生还原/氧化反应时储存的是化学热和显热。

进一步地，导电储热单元11可以与电线连接传输电流。实际使用场景可根据所需储热量选择导电储热单元11的数量进行安装布置。热化学储热装置1上连接有火线A和零线B，热化学储热装置1通过火线A接入低谷电能41或风力发电产生的废弃电力42，将低谷电能41或风力发电产生的废弃电力42输入至导电储热单元11，并从零线B输出。进一步地，火线A的一端与热化学储热装置1连接，火线A远离热化学储热装置1的一端与控制器2连接，零线B的一端与热化学储热装置1连接，零线B的另一端与控制器2连接，控制器2与低谷电能41或风力发电产生的废弃电力42连接。由于电流的热效应，以及导电储热单元11的导电导热性能，在电流流经各个导电储热单元11本体后自产热，当达到导电储热单元11可发生化学反应的温度时，导电储热单元11即可进行热量的存储。进一步地，控制器2还可以控制输出的电流大小，从而方便调节电能的输出效率及热化学储热装置1的储热量。

本发明的实施方式中，热能可以通过与空气换热的方式输出，输出的热能可以用来发电、供热等。

本发明的第一实施方式提供的储热系统，通过将热能和/或电能直接传递给金属氧化物储热材料，对金属氧化物储热材料的导电性和导热性具有较高的要求，以保证热量的储存效率；但也简化了热化学储热装置1的内部构造，缩短了储热系统的储热流程。与普通的显热储存方式(比如陶瓷储热)相比，通过金属氧化物储热材料的还原/氧化反应进行热量的储存/释放具有反应速度快，储/放热量大的优点，储热效率显著提高。

第二实施方式

本发明的第二实施方式提供了一种储热系统，与第一实施方式的结构基本相同，与第一实施方式的区别在于，如图2、图4所示，热化学储热装置1还包括电热丝网12，电热丝网12呈多层网状地布置于热化学储热装置1的内部空间，导电储热单元11布置在多层电热丝网12上。

通过上述方式，各个导电储热单元11直接与电热丝网12相接触，电热丝网12呈网状布置便于空气在热化学储热装置1内流通，增加热化学导电储热单元11与空气的接触面积，使得可发生热化学反应的活性物质增多，可高效地储/放热，此外在电流热效应的作用下，电热丝网12不仅起到支撑导电储热单元11的作用，还能有效地传输电流并产生热量，导电储热单元11依靠自身的导电性能将电能转化为化学能进行储存，可有效减少传热损失，同时可以利用电热丝网12产生的热量，减少能源消耗量和储热时间，从而提高金属氧化物储热材料的能量储存转化率。

优选地，电热丝网12所用材料具有良好的导电性能，可保证其能高效地将廉价低谷电能41或风能发电产生的废弃电力42传输给导电储热单元11；且电热丝网12高温下强度高，可保证其在高温条件下使用时不易变形，保证导电储热单元11的位置稳定性，同时导电储热单元11在热化学储热装置1内的布置方式具有一定的选择空间；另一方面，电热丝网12长期使用后可塑性好，可保证长时间使用后冷却下来也不会变脆，便于后续再使用；将电热丝网12铺设于导电储热单元11的底部，能够方便后续的拆卸维修，从而确保系统能够高效运行应用。

本发明的优选技术方案中，各层电热丝网12之间通过并联方式连接，每两层导电储热单元11共用一层电热丝网12。

通过采用上述技术方案，热化学储热装置1内每两层导电储热单元11共用一层电热丝网12，减少材料的耗用。各层电热丝网12之间均通过并联方式连接，并联方式可保证当放置在热化学储热装置1内的某一层电热丝网12出现问题时，其余电热丝网12层仍可正常工作来为导电储热单元11传输电能，从而提高系统整体工作运行效率。

进一步地，电热丝网12可以与电线连接传输电流。实际使用场景可根据所需储热量选择导电储热单元的数量进行安装布置。热化学储热装置1上连接有火线A和零线B，热化学储热装置1通过火线A接入低谷电能41或风力发电产生的废弃电力42，将低谷电能41或风力发电产生的废弃电力42输入至导电储热单元11，并从零线B输出。热化学储热装置1与火线A、零线B及控制器2之间的连接关系，与第一实施方式相同，在此不再赘述。由于电流的热效应，及各个导电储热单元11本体及电热丝网12自产热，当达到导电储热单元11可发生化学反应的温度时，导电储热单元11即可进行热量的存储。

本发明的第二实施方式通过介质电热丝网12传递电能及热能给导电储热单元11进行电能的转化和热量储存，电热丝网12采用的材料比较常见易得，且电热丝网12的热效应使得电热丝网12也参与并促进热量的储存，因而本发明的第二实施方式中对导电储热单元的导电性能要求降低，增大了导电储热单元11的选择范围。

以上具体说明了本发明储热系统的结构，以下说明其储热方法，包括以下步骤：

热化学储热装置1将太阳能转化的热能进行储存；

控制器2计算热化学储热装置的储热余量；

在储热余量大于0时，控制器2控制热化学储热装置1将输入的电能转化为热能进行储存。

本发明通过控制器2计算高温热化学储热装置1的储热量，利用廉价谷电或风能产生的废弃电力作为能量补充来源为热化学储热装置1的化学反应提供热量，促进达到热化学储热装置1热化学反应的温度，从而将电能转化为热能进行储存，显著提高储热效率，缩短储热时间，确保热化学储热装置1的储热量达到最大化，提高了热化学储热装置1和廉价谷电的利用率，解决弃风的消纳问题。

具体来说，本发明储热系统的储热方法存在以下三种情况：

1.在太阳能充足的情况下，热化学储热装置1储存的热能全部来源于太阳能。

2.储热余量大于0，即太阳能提供的热量未达到热化学储热装置1的最大储热量时，向储热系统中输入低谷电能41和/或风力发电产生的废弃电力42，通过电流的热效应，将电能转化为热能进行储存。

3.在无法利用太阳能的情况下(如阴雨天)，储热系统中输入低谷电能41和/或风力发电产生的废弃电力42，通过电流的热效应，将电能转化为热能进行储存。

第三实施方式

本发明的第三实施方式提供了一种储热系统，包含第二实施方式的储热系统结构，与第二实施方式的区别在于，如图5、图6所示，电热丝网12也可以呈笼状套设于各导电储热单元11的外部，与电热丝网12设置于导电储热单元11底部相比，电热丝网12设于外部时与导电储热单元11的接触面积大，传热性能好，有利于提高储热效率。

至此，已经结合附图描述了本发明的技术方案。但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于以上具体实施例。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种储热系统，其特征在于，包括：

热化学储热装置，包括多个导电储热单元，多个所述导电储热单元储存经太阳能和/或外部的电能转化的热能；所述导电储热单元为具有导电性能的金属氧化物储热材料，所述导电储热单元依靠自身的导电性能将外部的电能直接转化为热能进行储存，而无需经过电加热器；所述电能为低谷电能和/或风能发电产生的废弃电力；

太阳能集热装置，与所述热化学储热装置连接，所述太阳能集热装置将太阳能转化为热能后传递至所述热化学储热装置；

控制器，与所述热化学储热装置连接，所述控制器通过计算所述热化学储热装置的储热余量，并在储热余量大于0时，控制直接输送外部的电能至所述导电储热单元，所述储热余量为所述热化学储热装置的储热量与其存储的太阳能转化的热量的差值；

所述热化学储热装置还包括电热丝网，所述电热丝网呈多层网状地布置于所述热化学储热装置的内部空间，所述导电储热单元设置在多层所述电热丝网上；各层所述电热丝网之间通过并联方式连接，每两层所述导电储热单元共用一层所述电热丝网。

2.根据权利要求1所述的储热系统，其特征在于，多个所述导电储热单元在所述热化学储热装置的内部空间内紧密堆积呈多层，各所述导电储热单元采用具有多孔结构的金属氧化物储热材料。

3.一种利用权利要求1或2所述的储热系统的储热方法，其特征在于，包括以下步骤：

热化学储热装置将太阳能转化的热能进行储存；

所述控制器计算所述热化学储热装置的储热余量；

在所述储热余量大于0时，所述控制器控制所述热化学储热装置将输入的电能转化为热能进行储存。

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