CN115235130A - 一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种物理‑化学储热耦合的跨昼夜‑季节储能系统,该系统主要包括:太阳能聚光光热镜场、相变物理储能单元、热化学储能单元、输出端换热器以及相关管道。其中:相变物理储能单元由换热器和相变储能材料水箱构成,热化学储能单元由气固相热化学储热体系、水蒸气发生器和反应气供给水箱组成。气固相热化学储热体系内部为盘管与肋片结构。本发明可以通过物理储能实现昼夜跨度的储能调节,同时通过热化学储能实现季节跨度的储能调节,极大程度的降低了全年太阳能输出的波动问题,实现了太阳能全天全年的稳定输出。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热利用技术领域,具体涉及一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统。
背景技术
太阳能具有获取来源广、绿色清洁、可再生等优点,是一种理想的可替代化石燃料的清洁可再生能源。然而,太阳能在时间上的分布存在间歇性和不稳定性的波动特点,具体表现为:夏季多冬季少,白天有夜晚无,同时极易受当地实时天气条件的影响,使能量难以持续稳定供应。这更进一步限制了太阳能在发电入网和集中供热等传统系统中的利用空间。对此,一种较好的解决方案是采用成熟的储能技术,将过量的太阳能储存至特定介质中,并于能量不足时释放从而实现调峰的作用。而现有的储能系统,由于仅使用单一储能方式,仅采用物理储能在长时间跨度下储能热损失较大,仅采用化学储能方式反应复杂短时间条件下灵活性不足,无法满足太阳能全年供能中大容量、长时间、跨季节调节的需求。
在储能科学领域的研究中,物理储能,如相变储能等,通常适用于短时间跨度的储能场合,如跨昼夜尺度;而热化学储能,其利用可逆的吸放热反应储存热能,具有储能密度高,储存介质稳定,反应温度高、长期储热损失小等显著优点,能有效地解决长时间跨度下能量的转换、储存与再生,如跨季节尺度。
若要实现太阳能在全年内的高效稳定输出,需要进行系统设计,将短时间跨度的物理储能方式与长时间跨度的化学储能方式耦合起来,从而实现太阳能的跨昼夜-季节调节,极大程度地改善全年太阳能输出的波动问题,实现太阳能全天全年的调峰稳定输出,为太阳能的高效稳定利用以及入电网等需求开辟了一种良好的方案。目前这种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统的研究处于起步阶段。
发明内容
为了克服以上技术问题,本发明的目的在于提供一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,通过物理储能和热化学储能的系统耦合设计同时实现昼夜跨度和季节跨度的储能调节,极大程度地降低全年太阳能输出的波动,实现太阳能全天全年的调峰稳定输出。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,包括太阳能聚光光热镜场1、相变物理储能单元2、热化学储能单元3、输出终端4以及相关阀门管道;
所述太阳能聚光光热镜场1用于将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至输出终端4完成供给;
所述相变物理储能单元2用于存储太阳能聚光光热镜场1的过剩的热能,相变物理储能单元2包括换热器5和相变储能材料箱6,通过换热器5将储存至相变储能材料箱6中;相变储能材料箱6在太阳能聚光光热镜场1热能不足的情况下,通过换热器5的传热流体将储存的热能输送至输出终端4完成供给;
所述热化学储能单元3用于将太阳能聚光光热镜场1的过剩的热能通过气固相热化学储热体系7进行吸热反应储存为化学能中并实现能量的长时间稳定储存;在热能不够的情况下,相变物理储能单元2通过传热流体输送至水蒸气发生器8,将热能输送至输出终端4完成供给。
在夏季白天工况下,太阳能量过剩,需要在正常供给的同时为夜晚和冬季进行储能,太阳能聚光光热镜场1将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至输出终端4完成供给;与此同时,一部分白天过剩的热能输送至相变物理储能单元2中,通过换热器5将储存至相变储能材料箱6中;将另一部分过剩热能输送至热化学储能单元3,通过气固相热化学储热体系7进行吸热反应储存为化学能中并实现能量的长时间稳定储存,以实现太阳能跨昼夜储存和跨季节储存的功能。
在夏季夜晚工况下,无太阳能输入,需要将白天存储在物理储能单元的能量输出供给,相变物理储能单元2将相变储能材料箱6中储存的热能通过换热器5输出,并通过传热流体输送至输出终端4完成供给,以实现太阳能跨昼夜调峰供给的功能。
在冬季白天工况下,太阳能量不足,需要将太阳能全部用于为化学储能单元提供反应所需的水蒸气,并将夏季存储在化学储能单元的能量输出供给,太阳能聚光光热镜场1将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至水蒸气发生器8,为气固相热化学储热体系7的放热反应提供所需的反应气,并在气固相热化学储热体系7内通过热化学反应将化学能转化为热能,输送至输出终端4完成供给;与此同时,一部分白天过剩的热能输送至相变物理储能单元2中,通过换热器5将储存至相变储能材料箱6中,以实现太阳能跨季节调峰供给的功能。
在冬季夜晚工况下,无太阳能输入,需要将夏季存储在化学储能单元的能量输出供给,相变物理储能单元2将相变储能材料箱6中储存的热能通过换热器5输出,并通过传热流体输送至水蒸气发生器8,为气固相热化学储热体系7的放热反应提供所需的反应气,并在气固相热化学储热体系7内通过热化学反应将化学能转化为热能,输送至输出终端4完成供给,以实现太阳能跨季节调峰供给的功能。
所述热化学储能反应床8使用的气固相热化学储能体系7,内部具备间接传热的盘管式结构10和强化传热的肋片结构11,以实现反应床快速高效储能,在反应气中央部分设置了反应气进气网状通道结构12,以令反应气在反应床内部均匀分布并良好地反应,从而提高反应床的储能速率,实现热化学储能单元3的快速吸放热的功能。
本发明的有益效果:
1、本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,可以通过物理储能实现昼夜跨度的储能调节,同时通过热化学储能实现季节跨度的储能调节,极大程度的改善了全年太阳能输出的波动问题,实现了太阳能全天全年的稳定输出,为太阳能的高效稳定利用以及入电网等需求开辟了一种良好的方案。
2、本发明提供的一种气固相热化学储热体系,可以通过内部的盘管式结构、肋片结构以及反应气进气网状通道结构的创新设计,强化了气固相热化学储热反应中的换热过程和反应扩散过程,从而提高反应床的储能速率和效率,从而实现热能的高效快速储存与释放,实现良好的热能再生作用。
附图说明:
图1为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统的流程示意图。
图2为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在夏季白天的运行模式示意图。
图3为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在夏季夜晚的运行模式示意图。
图4为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在冬季白天的运行模式示意图。
图5为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在冬季夜晚的运行模式示意图。
图6为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统中所使用的气固相热化学储热体系的具体结构示意图。
图7为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统的跨季节调节的效果示意图(以某北方城市为例)。
图8为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统的跨昼夜调节的效果示意图(以某北方城市为例)。
图中各部分相应标记为:太阳能聚光光热镜场1、相变物理储能单元2、热化学储能单元3、输出终端4、换热器5、相变储能材料箱6、气固相热化学储热体系7、水蒸气发生器8、反应气供给水箱9、盘管结构10、肋片结构11、反应气进气网状通道结构12。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示,图1为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统的流程示意图。图中各部分相应标记为:太阳能聚光光热镜场1、相变物理储能单元2、热化学储能单元3、输出终端4、换热器5、相变储能材料箱6、气固相热化学储热体系7、水蒸气发生器8和反应气供给水箱9。
如图2所示,图2为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在夏季白天工况下的运行模式示意图。在夏季白天工况下,太阳能聚光光热镜场1将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至输出终端4完成供给;与此同时,一部分白天过剩的热能输送至相变物理储能单元2中,通过换热器5将储存至相变储能材料箱6中;将另一部分过剩热能输送至热化学储能单元3,通过气固相热化学储热体系7进行吸热反应储存为化学能中并实现能量的长时间稳定储存,以实现太阳能跨昼夜储存和跨季节储存的功能。
如图3所示,图为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在夏季夜晚工况下的运行模式示意图。在夏季夜晚工况下,相变物理储能单元2将相变储能材料箱6中储存的热能通过换热器5输出,并通过传热流体输送至输出终端4完成供给,以实现太阳能跨昼夜调峰供给的功能。
如图4所示,图4为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在冬季白天工况下的运行模式示意图。在冬季白天工况下,太阳能聚光光热镜场1将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至水蒸气发生器8,为气固相热化学储热体系7的放热反应提供所需的反应气,并在气固相热化学储热体系7内通过热化学反应将化学能转化为热能,输送至输出终端4完成供给;与此同时,一部分白天过剩的热能输送至相变物理储能单元2中,通过换热器5将储存至相变储能材料箱6中,以实现太阳能跨季节调峰供给的功能。
如图5所示,图5为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在冬季夜晚工况下的运行模式示意图。在冬季夜晚工况下,相变物理储能单元2将相变储能材料箱6中储存的热能通过换热器5输出,并通过传热流体输送至水蒸气发生器8,为气固相热化学储热体系7的放热反应提供所需的反应气,并在气固相热化学储热体系7内通过热化学反应将化学能转化为热能,输送至输出终端4完成供给,以实现太阳能跨季节调峰供给的功能。
如图6所示,图6为本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统中所使用的气固相热化学储热体系的具体结构示意图。图中各部分相应标记为:盘管结构10、肋片结构11、反应气进气网状通道结构12。盘管结构10和肋片结构11用以强化反应床内部的传热过程,实现反应床快速高效储能。在反应气中央部分设置的反应气进气网状通道结构,使得反应气在反应床内部能够均匀分布进而良好地反应,从而提高反应床的储能速率,实现热化学储能单元3的快速吸放热的功能。
接下来将以某城市的用能需求和太阳能资源分布情况为例,并以石蜡相变物理储能材料和Ca(OH)2/CaO热化学储能体系为例,说明本发明的突出应用优势。
如图7和图8所示,图7和图8中实线分别为该城市全年太阳能辐射随季节的分布示意图和全天太阳能辐射随昼夜的分布示意图,其具体表现为:夏季多冬季少,白天有夜晚无,同时极易受当地每天实时天气条件的影响,波动幅度极大,该城市昼夜太阳能接受量方差高达84071,波动幅度达到800W/㎡,全年太阳能接受量方差高达57896,使能量难以持续稳定供应。因此,为某城市配备本发明所提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,从而实现如图7和图8中虚线所示的能量的平稳持续供应。
采用石蜡相变物理储能材料,其温度范围在100℃左右,用于调节昼夜跨度间的能量波动;采用Ca(OH)2/CaO热化学储能体系,其温度范围在300-550℃,用于调节季节跨度间的能量波动,温度可通过调节气固相热化学反应床内部的蒸汽分压大小进行定向控制,以便满足实际输出端匹配需求。
以某城市全年太阳能总接收量3.91×109J/m2以及冬季供暖需求量1.309×1013J为例,参考本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,若要实现该城市冬季供暖完全由全年所接受的太阳能供给,则需配备太阳能光热镜场有效面积3.35×106m2,热化学储能材料Ca(OH)2共1.3×1011吨。该结果可以说明,本发明提供的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统在实际应用中是完全可行的。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,其特征在于,包括太阳能聚光光热镜场(1)、相变物理储能单元(2)、热化学储能单元(3)、输出终端(4)以及相关阀门管道;
所述太阳能聚光光热镜场(1)用于将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至输出终端(4)完成供给;
所述相变物理储能单元(2)用于存储太阳能聚光光热镜场(1)的过剩的热能,相变物理储能单元(2)包括换热器(5)和相变储能材料箱(6),通过换热器(5)将储存至相变储能材料箱(6)中;相变储能材料箱(6)在太阳能聚光光热镜场(1)热能不足的情况下,通过换热器(5)的传热流体将储存的热能输送至输出终端(4)完成供给;
所述热化学储能单元(3)用于存储太阳能聚光光热镜场(1)的过剩的热能通过气固相热化学储热体系(7)进行吸热反应储存为化学能中并实现能量的长时间稳定储存;在热能不够的情况下,相变物理储能单元(2)通过传热流体输送至水蒸气发生器(8),将热能输送至输出终端(4)完成供给。
2.根据权利要求1所述的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,其特征在于,在夏季白天工况下,太阳能聚光光热镜场(1)将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至输出终端(4)完成供给;与此同时,一部分白天过剩的热能输送至相变物理储能单元(2)中,通过换热器(5)将储存至相变储能材料箱(6)中;将另一部分过剩热能输送至热化学储能单元(3),通过气固相热化学储热体系(7)进行吸热反应储存为化学能中并实现能量的长时间稳定储存,以实现太阳能跨昼夜储存和跨季节储存的功能。
3.根据权利要求1所述的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,其特征在于,在夏季夜晚工况下,相变物理储能单元(2)将相变储能材料箱(6)中储存的热能通过换热器(5)输出,并通过传热流体输送至输出终端(4)完成供给,以实现太阳能跨昼夜调峰供给的功能。
4.根据权利要求1所述的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,其特征在于,在冬季白天工况下,太阳能聚光光热镜场(1)将太阳能转化为热能,并通过传热流体输送至水蒸气发生器(8),为气固相热化学储热体系(7)的放热反应提供所需的反应气,并在气固相热化学储热体系(7)内通过热化学反应将化学能转化为热能,输送至输出终端(4)完成供给;与此同时,一部分白天过剩的热能输送至相变物理储能单元(2)中,通过换热器(5)将储存至相变储能材料箱(6)中,以实现太阳能跨季节调峰供给的功能。
5.根据权利要求1所述的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,其特征在于,在冬季夜晚工况下,相变物理储能单元(2)将相变储能材料箱(6)中储存的热能通过换热器(5)输出,并通过传热流体输送至水蒸气发生器(8),为气固相热化学储热体系(7)的放热反应提供所需的反应气,并在气固相热化学储热体系(7)内通过热化学反应将化学能转化为热能,输送至输出终端(4)完成供给,以实现太阳能跨季节调峰供给的功能。
6.根据权利要求1所述的一种物理-化学储热耦合的跨昼夜-季节储能系统,其特征在于,所述热化学储能反应床(8)使用的气固相热化学储能体系(7),内部具备间接传热的盘管式结构(10)和强化传热的肋片结构(11),以实现反应床快速高效储能,在反应气中央部分设置了反应气进气网状通道结构(12)。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN116768310A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-09-19 | 山东省科学院能源研究所 | 一种太阳能联合热化学电池全时段多级闪蒸海水淡化系统 |
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2022
- 2022-07-21 CN CN202210860263.4A patent/CN115235130A/zh active Pending
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CN116768310A (zh) * | 2023-08-22 | 2023-09-19 | 山东省科学院能源研究所 | 一种太阳能联合热化学电池全时段多级闪蒸海水淡化系统 |
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