CN115823922A - 固体颗粒物蓄放热装置 - Google Patents

Abstract

一种蓄放热装置，包括：蓄热介质、介质容器、蓄放热换热器、循环介质，所述蓄热介质为蓄放热温度区间内物理性质、化学性质稳定且易于就地取材的颗粒状物质，蓄热介质填充于介质容器内部；蓄放热换热器的传热单元分布于蓄热介质之间；所述循环介质为流体物质,在蓄放热换热器的管内流动，用于热量的传输；该蓄放热装置可应用于光热发电、火电机组灵活性运行、用户侧储热生产蒸汽等应用场景。

Description

固体颗粒物蓄放热装置

技术领域

本发明属于储能技术领域，特别涉及到热储能技术领域。

背景技术

为降低二氧化碳排放所造成的温室效应，保护环境，使用清洁能源是必由之路。

近年来风电、光伏发电、光热发电取得了长足的进步，特别是风电和光伏发电两方面，其中光热发电的发展显得相对较落后，这其中原因有多种，但其中蓄热技术不能充分满足光热发电的多方面要求是重要原因之一。

尽管目前的常规认识是：熔盐蓄热技术在光热发电领域的应用已经取得长足进步，但本发明人认为仍有较大的改进空间，主要是两个方面：如何降低整个蓄热系统的造价和避免随着温度的提高熔盐腐性增加及相关的问题。

此外，随着风电、光电等波动性清洁能源的发展，电网发电量的波动量加剧，为实现这些清洁能源的有效消纳，火力发电厂必须具有良好的灵活调节能力，储能是火力发电厂的主要调节手段。尽管近年来，能源行业人士研究开发了多种灵活性调节技术，但大都存在“能源效率低”（例如电固体锅炉调峰技术、电熔盐锅炉调峰技术、电极锅炉调峰技术等）、“投资高”（例如电池储能技术）的问题。

所以，开发出一种可有效降低成本、能有效解决腐蚀性问题并且还能提高能源效率的储热技术一直是储热行业的关键工作。

本发明提供一种“固体颗粒物蓄热装置”及其系统应用方法，可在光热发电领域与火电灵活性蓄热领域取得较大的技术提升，主要包括：成本降低、腐蚀性问题降低、热效率提升、施工方便等等。

发明内容

本发明的目的是提供一种“固体颗粒物蓄热装置”及其应用方法，以实现光热发电及火电灵活性改造技术领域的技术提升，主要包括：成本降低或可控、提高用户侧的热效率、施工方便等方面。

本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种蓄放热装置，包括：蓄热介质、介质容器、蓄放热换热器、循环介质；所述蓄热介质为蓄放热温度区间内物理性质、化学性质稳定且易于就地取材的颗粒状物质如沙粒、煤渣、石子等，蓄热介质填充于介质容器内部；所述蓄放热换热器的传热单元分布于蓄热介质之间；蓄放热换热器由一系列管状传热单元、热端集管、冷端集管等组成，所述管状传热单元的外表面与蓄热介质相接触，管内为循环介质的流动通道；所述循环介质为流体物质；管状传热单元的管路两端分别与热端集管和冷端集管连接形成完整的蓄放热换热器并可通过热端集管和冷端集管与外部管路或设备连接，实现蓄热或放热过程。

为较好地说明上述技术方案的优势，这里仍以熔盐光热发电的蓄热系统为例进行说明。为此，首先介质一下目前光热发电所用蓄热设备“熔盐蓄热系统”，如附图3所示。其基本组成包括：高温熔盐罐、低温熔盐罐、高温罐熔盐泵、低温罐熔盐泵、相关管路和阀门等。

相比现有光热发电用蓄热装置，本发明所述蓄热装置具有如下优势：

a.利用沙粒或煤渣等固体颗粒物作为蓄热介质，相比需要工业过程生产或经过采矿提炼之后才能得到的熔盐蓄热介质，具有显著的成本优势；

b.将熔盐双罐(双容器)改变成单个固体颗粒容器，在同等基准下(同等蓄热量、同等输出热工工况参数等),固体颗粒物蓄热装置的总占地面积及占用空间将减小；

c.沙子类固体颗粒物在沙漠地带，可谓取之不尽，相比熔盐介质，可减少制造、运输等过程的时间和成本，有利于缩短工程的实施周期并进一步降低成本；

d.沙粒、煤渣等固体颗粒物介质可以耐高温、无腐蚀，因此，固体蓄热介质容器相比于熔盐罐，对相关材料的要求大幅度降低，有利于降低成本，大幅度延长使用寿命；

e.即使需要在介质容器中安装蓄放热换热器，会增加一部份成本，但经过分析，不难发现：本发明蓄热装置的总造价仍有很大的成本优势；

f.采用固体颗粒物作为蓄热介质，其介质充装的要求不高，而熔盐介质在现场充装时，要求较高，因为其高温熔解等工艺过程较为复杂；

g.在非使用期间，无需担忧蓄热介质温度降低；而熔盐则必须保持在较高的温度，以避免因温度降低而凝固的事故；

h.该蓄热装置应用于火力发电设备的发电灵活性调节时，还同时解决了电厂的一部份煤渣的处理工作量及相应的费用；

i.本发明的蓄热装置还具备使用建筑垃圾作为蓄热介质的可行性，减少建筑垃圾的处理过程和费用。

此外，使用砂粒等固体颗粒物蓄热的技术方案虽然已经有人提出来，但所提出的具体实施方案却与本发明不相同（主要包括：蓄热过程方法不同， 取热或放热过程方法不同，蓄热容器的建造方法不同、保温方法不同、用热方法不同等等），例如下列专利技术都有多方面与本发明不相同：

对比专利1：申请号为202210493237.2由上海电气集团股份有限公司申请的“一种储换热一体的固体颗粒储热设备”；

对比专利2：申请号为202210548899.5由湖南大学申请的“一种太阳能跨季节沙子高温蓄热建筑采暖”；

对比专利3：申请号为202221647288.8由中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司申请的“基于沙子储热的火电机组”；

对比专利4：申请号为202110268220.2由华中科技大学申请的“一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统”；

本发明人认为，这些采用了固体颗粒物蓄热的技术方案没有提出良好的、更易于实施的具体技术方案，例如：

对比专利1：保温结构复杂；蓄热装置采用电加热装置，内置于蓄热介质的下部，不利于外部蓄热装置的应用，不利于加热装置的选择（电加热装置的加热温度也将很高，因为难以将热量传递到上部的蓄热介质）

对比专利2：保温结构复杂，施工难度大；蓄热和放热换热器采用了双换热器（增加成本和复杂性）；可适用的应用范围小；

对比专利3和专利4：采用了“砂子流动”和“双介质容器”的方案，显著增加了系统的复杂性；

优选地，本发明将蓄热介质选定为适合于蓄热温度为300-800℃、以硅酸盐为主的物质，这类物质在这个温度范围内、甚至温度高到1500℃时，都不会出现物理性质、化学性质的改变，可放心使用。碳酸盐类颗粒物质则不适合于此应用，因为会出现分解、结块等现象。

在这个温度范围内，可选循环介质范围比较广泛，也非常适合于本发明的蓄热装置在光热发电领域的应用。

优先地，所述蓄放热换热器采用多通路蛇形管结构，包括：热端集管、冷端集管、蛇形管，所述蛇形管有多根，蛇形管的一端与热端集管连接，另一端与冷端集管连接。采用该技术方案，可使换热器的加工难度降低、安装和维护的难度降低，使本发明的实施可行性提高。

优选地，所述介质容器的保温材料直接使用与蓄热介质相同的材料，并且蓄热介质直接接触容器内表面。这就使蓄热容器的结构大幅度简化、成本大幅度降低，因为不需要进行复杂的保温结构设计和建造，介质容器外壳的材料可以使用常规材料。

优选地，在蓄热介质的表面覆盖薄层强化导热性能的物质，从而在成本投入增加不多的情况下，有效提升固体颗粒蓄热介质的导热性能，提升传热效率，还可间接起到降低蓄放热换热器成本的作用，总体成本可下降。

优选地，本发明采用蓄热介质小温差蓄热放热的设计、运行方式，即蓄热介质的蓄热完毕温度与放热完毕温度差值范围为60℃到135℃之间。采用这种技术方案，可以大幅度提高该蓄热系统的用户侧的用热温度，即提升用户的用热品位，提升用户的使用效率，例如：应用于光热发电时，可以使发电机组工作在超临界工况，显著提升发电效率。另一方面，如果热用户并不需要很高的用热温度时，采用这种技术方案则可以使热源侧的供热温度降低，可提高热源侧的供热效率。例如，如果热源设备为太阳能光热设备的话，可以降低光热设备的吸热装置的吸热温度，从而提升吸热的效率。

优选地，本发明采用蓄放热换热器小温差换热的设计、运行方式，即蓄放热换热器的热侧温度与冷侧温度的平均温差控制在10℃到30℃之间。与小温差蓄热相似，该技术同样可提高本蓄热装置的热用户的用热品位和用热效率或者提高热源设备的供热效率。

优选地，本发明提供一种带有模式切换装置的固体颗粒物蓄热装置系统，包括所述固体颗粒物蓄热装置、模式切换装置及相关管路，其中，所述模式切换装置用于蓄热模式、放热模式的切换，包括介质循环泵、进口蓄热阀、出口蓄热阀、进口放热阀、出口放热阀及相关管路组成，进口蓄热阀与进口放热阀的出口连接到介质循环泵的进口，出口蓄热阀与出口放热阀的进口连接到介质循环泵的出口，出口放热阀的出口连接到进口蓄热阀的进口；整套切换装置按这种方式连接后形成其对外的3个接口，即：用于与热源设备的介质进口连接的接口(简称为A接口或热源接口)，进口放热阀的进入接口（简称为B接口或热用户接口），蓄热进入阀进口与放热出口阀出口连接后的共同接口（称称为C接口或蓄热装置接口）;所述蓄热装置的蓄放热换热器冷端接口连接到模式切换装置的蓄热装置接口（C接口）；所述蓄热装置的蓄放热换热器的热端接口用于连接到热用户设备的用户介质进口及热源设备的热源介质出口。

由于提供了该蓄热系统，使所述固体颗粒物蓄热装置具有了更优化的使用方法或流程设计方法。所述模式切换装置采用蓄热介质泵动力驱动蓄热介质的循环运动。该模式切换装置对蓄热介质的流程进行了良好的设计，通过阀门和管路的切换，使蓄热介质泵的工作介质终始是来自于蓄热系统中的温度较低的介质，有利于降低介质泵的获取难度、延长泵的使用寿命。

采用这种模式切换装置，还使蓄热循环与放热循环过程中热的循环介质始终在蓄热介质(蓄热体)的上部，冷的循环介质始终在蓄热介质(蓄热体)的下部，实现热流方向更有组织的、更有效的热力过程。

优选地，本发明提供一种带有蓄热介质自然循环的模式切换装置的固体颗粒物蓄放热系统，包括所述固体颗粒物蓄热装置、模式切换装置及相关管路，其中，所述模式切换装置用于蓄热模式、放热模式的切换，包括蓄热阀和放热阀及相关管路，蓄热阀与放热阀并联安装且流动方向相反；整套切换装置管路连接完成后形成其对外部管路的3个连接接口，分别为：蓄热阀进口与放热阀的出口连接后形成其共同对外的接口(简称为C接口或蓄热装置接口)、蓄热阀的出口接口（简称为A接口或接源接口）、放热阀的进口接口（简称为B接口或热用户接口）。模式切换装置的热源接口连接到蓄热装置的蓄放热换热器的冷端接口。所述蓄热装置的蓄放热换热器的热端接口用于连接到热用户设备的用户介质进口及热源设备的热源介质出口。

由于提供了该蓄热系统，使所述固体颗粒物蓄热装置具有了另一种优化的使用方法，适用于蓄放热循环过程中循环介质为饱和状态的循环介质。所述模式切换装置采用蓄热介质自然循环的运动原理，使所述蓄热系统的流程更简单。

该模式切换装置对蓄热介质的流程进行了良好的设计，通过阀门和管路的切换，使蓄热循环与放热循环过程中，热的循环介质始终在蓄热介质的上部，冷的循环介质始终在蓄热介质的下部，实现更有效的热力过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

附图1：蓄热介质采用动力驱动的“介质动力循环的固体颗粒蓄热系统”。

附图2：蓄热介质采用自然循环的“介质自然循环的固体颗粒蓄热系统”。

附图3：典型光热发电系统中的熔盐蓄热放热系统。

附图4：一种典型的蓄热放热装置。

附图5：一种典型的蓄放热换热器结构。

附图6：一种动力循环蓄放热工作模式切换装置。

上述图中的序号所代表的含义如下：

1 蓄放热装置

101 介质容器

1011 容器底板

1012 容器墙板

1013 容器顶盖

1014 保温层

102 蓄热介质

103 蓄放热换热器

1031 蛇形管

1032 热端接口

1033 冷端接口

1034 热端集管

1035 冷端集管

2 动力循环蓄放热切换装置

201 进口蓄热阀

202 进口放热阀

203 介质循环泵

204 出口放热阀

205 出口蓄热阀

206 蓄热循环泵

207 放热循环泵

3 热用户设备

301：用户介质进口

302：用户介质出口

4 自然循环蓄放热切换装置

401 放热开关阀

402 蓄热开关阀

5 热源设备

501: 热源介质入口

502: 热源介质出口

A 热源接口

B 热用户接口

C 蓄热装置接口

D 冷端接口

E 热端接口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。

显然，所描述的实施例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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为使实施例更便于理解，以下提供多种实施例以对本发明的相关装置、模块、功能进行说明。

实施例1：一种典型的沙粒蓄热装置和应用场景

本实施例对一种典型的沙粒蓄热装置进行说明，并提供固颗粒物的优选对象。

如附图4所示，所述固体颗粒物蓄热装置，包括：介质容器101，蓄热介质102，蓄放热换热器103，所述介质容器做成长方体形状，包括：底板1011、墙板1012，顶板1013，保温层1014；蓄热介质102填充于介质容器内部；蓄放热换热器的热交换部份（1031）内置于介质容器内部，分布于蓄热介质102之间。

所述固体颗粒物蓄热介质，采用可就地取材、成本低廉的固体颗粒物，以降低蓄热介质的成本和项目实施的成本。

需要注意的是：如果蓄热装置应用于高温区间，应使用硅酸盐类化学、物理性质稳定的物质，不宜使用碳酸盐类物质，因为这类物质容易受热分解并导致特性改变。

本实施例中，所述蓄热介质优选为沙子，石子，煤渣和建筑垃圾等。显然，这些物质是容易获取的、容易做到就地取材的、低成本的、物理与化学性质稳定的。

沙子在沙膜中广泛存在，而沙膜恰好是光热发电站的主要安装地点，所以，光热发电站是本发明的蓄热装置的良好应用场景。

煤渣在火电厂每天都在产生，所以可实现良好的就地取材。而火电厂的灵活性调节过程正好可以使用本蓄热装置，利用本发明蓄热装置实现替代现有水蓄热、固体蓄热、熔盐蓄热等热电解耦技术或利用本蓄热装置实现蒸汽热能存储后的发电，本发明的这些热能利用技术都可提升火电机组灵活性调节过程中的效率。

石头、建筑垃圾存在于各类建筑工程中，利用其作为蓄热介质可实现就地取材、废物利用。北方地区的建筑工程一般需要配置集中供暖设施，并且未来将越来越多地使用集中电供热，采用本发明专利技术，就可以将这些建筑垃圾材料有效使用。

实施例2-循环介质的选择

本实施例提供循环介质的优选对象及选用方法。

本发明与目前高温应用的蓄热装置的不同之处是：蓄热介质为静止状态，不在管路中循环流动；取而代之的方法是：将蓄放热换热器安装于蓄热介质之中，通过循环介质的循环流动来实现热量在蓄热介质中的蓄热和放热的过程，因此，循环介质的选择和使用就是一个关键的技术问题。

在这种高温蓄热应用中，循环介质自然是要适应高温应用的，至少需要具备以下特性：

1）在所述温度范围内具有良好的流动性，不容易凝固；

2）凝固点尽量低，以尽量避免出现凝固的情况；

3）具有较高的比热容；

4）在蓄放热工作温区范围内，性质稳定；

5）无毒性，无腐蚀或腐蚀性低；

6）工作压力低；

7）……。

本发明推荐使用如下循环介质和使用的方法：

三元熔盐：适用于温度范围为180到450℃左右的应用；这种范围适合于光热槽式发电系统的蓄热；

二元熔盐：适用于温度范围为250到600℃左右的应用；这种范围适用于塔式光热发电的应用。

根据各种熔盐组份的配比不同，三元熔盐与二元熔盐有很多种，实际使用中可根据上述必要特性对熔盐进行选择即可；如果需要在更高的蓄热温度下应用，目前市场上也可以选择到适合更高温度使用的熔盐物质。

高温导热油：目前的高温导热油的可使用温度已经超过300℃，这类导热油适用于槽式光热发电的应用。

二氧化碳具有良好的热力学性能、临界温度低，也是容易获取的物质，可作为良好的循环介质，特别是采用二氧化碳发电技术时，是更加良好的选择。

上述循环介质适用于采用动力循环的模块切换装置的应用场景。

如果选择了自然循环的模式切换装置，则推荐使用下述循环介质。

硫：硫的熔点为112.8℃，沸点为444.6℃，具有粘度低、流动性好的特点，这些特点使其适合于塔式光热发电项目的应用。

蒽：其熔点为215℃，沸点为340℃，临界温度达596℃，且压力低，具有粘度低、流动性好的特点。这些特点使其适合于塔式光热发电项目的应用，也适合于槽式光热发电应用。

如果蓄热装置用到较低蓄热温度的应用，则可选介质较多，在此不做进一步的描述。

实施例3-介质容器的保温结构

为使本发明更有效实施，这里提供一种优化的介质容器的保温结构。

应该说，各种蓄热装置都需要设计、安装带有保温结构的介质容器，本蓄热装置也不例外，也需要有保温结构，以免所存储的热量散发到大气中，降低热能效率。所不同的是：本发明专利的保温材料直接使用与蓄热介质相同的材料，而且并不需要对保温结构做非常特别的设计，只需要根据散热的控制量计算保温层的厚度即可。

参见附图4， 介质容器1由容器底板1011、容器墙板1012和容器顶盖1013等组成，当然还包括保温层1014。

由该图可见，容器内部的蓄热介质与保温层之间并不无明显表分界面，因为保温层和蓄热介质为相同的固体颗粒物。就是说：做介质容器设计时，不需要设计该保温层的结构，只需要在外形尺寸上考虑该保温层的厚度即可；充装蓄热介质后，自然就可实现保温的目标。

由于介质容器的内部具有了良好的保温，所以，介质容器外层的选材就不必特别考虑耐高温的性能要求了，这就降低了选材的难度，推荐选择最常用的钢板(表面做必要的防风雨的防腐处理)制作介质容器，采用砖块砌筑介质容器也是良好的方法。

实施例4：非长方体介质容器

在前面的实施例中，采用了长方体形状的介质容器；显然，可以采用其它形状的容器，例如根据工程的实际可用平面或空间，设计成多边形(平面投影)形状。

采用长方体形状的介质容器，其好处是：蓄放热换热器较容易设计和安装。

但采用其它形状的介质容器(如圆柱体介质容器)同样具备可行性，只需要在换热器的设计过程处理好如下关键点，包括但不限于：

保证换热表面在蓄热介质中的较均匀分布（不排除存在不均匀分布设计的可行性）；

换热管内介质流速保证一致；

换热管内介质的流程长度、阻力保证一致；

其它关于传热设计的内容在此不多说明，但建议在设计过程中引入计算机流体动力学设计技术，可加快设计进度、提高设计精度。

实施例5-蓄放热换热器

为使本发明更易于实施，本发明在此提供一种蓄放热换热器的结构设计方案，如附图5所示。

所述蓄放热换热器由蛇形管1031、热端集管1034、冷端集管1035等组成。每根蛇形管作为一个传热单元，整个换热器由多根或多组蛇形管（均可称为传热单元）组成，每根换热管都与热端集管、冷端集管相连接，因此，各蛇形管传热单元为并联运行的方式。

热端集管或冷端集管的两端用于与外部管路连接，至于外部管路连接到哪一端，根据平面布局、系统流程阻力均衡等多种因素综合考虑即可。

当工程项目规模很大的时候，可按照模块化设计的思路，将这样一个大型换热器设计成多个小型模块在工厂制造，然后在现场组装。

上述结构的换热器主要适用于长方体形状的蓄热介质容器，如果介质容器是其它形状，也可按相似的思路进行设计，但需注意每根蛇形管的热负荷宜保证相近。

实施例6-小温差蓄热

本发明主要为太阳能光热电站的应用而研发，同时可兼顾火电机组的灵活性调节应用，利用本发明可以提升光热电站的发电效率或提高火电机组灵活调节过程中的效率。

为有效实现这种效率的提高，采用小温差蓄热是重要的技术手段。因为，在蓄热温度确定的情况下，小温差蓄热可以提高热用户的用热温度，提高用热效率。这就与常规的大温差蓄热思路形成了很大的区别。

对于常规的蓄热系统，为降低蓄热介质或系统的投资，尽量设法增大蓄热的温差。而本发明采用低成本、易于获取的蓄热介质这种技术方案，使蓄热介质成本的敏感性大幅度降低，从而具备了减少蓄热温差的可行性。

进一步说明如下。

对于发电机组而言，其进口温度越高、压力越高，则发电效率越高；目前的发电机组大多为超临界机组、甚至超超临界机组，所以，要求我们的蓄热温度高于水的临界温度，即372℃，对应的压力为22Mpa，实际上，由于传热温差的存在，蓄热温度还需要更高，例如高到430℃左右以上才能实现发电机组的超临界发电。当然，从发电效率来讲，这个温度越高越有利。

目前的光热电站的发电机组大多未能达到这个温度，其主要原因是：熔盐温度不能达到所需要的数值，或者即使能够达到较高的数值，但代价很高或经济性不强。

此外，除了受熔盐蓄热系统的造价影响，发电所需要的蒸汽温度难以提高之外，另外一个因素就是：光热吸收设备的效率也因为温度越高则吸热效率越低，所以，目前光热设备的介质输出温度大多被控制在500-700℃温度之间。这就限制了蓄热设备的蓄热温度，而采用减少蓄热温差的方法，就有利于降低光热设备的介质输出温度。

显然，采用固体颗粒（如沙粒）蓄热技术并不能使光热设备的输出温度上升，但是，如果采用小温差蓄热技术，却有可能可以使光热设备的输出温度下降，从而提高光热设备的吸热效率。

为说明本发明的小蓄热温差的实施方法及有益效果，我们假设一个比较基准：

塔式光热吸热器的熔盐输出温度为565℃；

熔盐蓄热温度为565℃；

熔盐放热后的温度为290℃；

熔盐蒸汽发生器的蒸汽压力为9Mpa，对应的饱和蒸汽温为307℃。

为便于理解或简化描述，暂时不考虑蒸汽的过热过程。

上述基准参数是一个典型光热电站的设计参数。

按上述参数，熔盐蓄热介质的蓄放热温差为： 565-290=275(℃)。在这种情况，发电机组主蒸汽压力为9Mpa, 饱和蒸汽温度为307℃，所以，汽轮机组是采用蒸汽过热循环工作的，没有实现超临界工况运行。

根据热力学原理，提升蒸汽的压力和温度可以提高发电效率，从这个意义上讲，由于熔盐的蓄热温度达到565℃，有可能将其最低放热温度从290℃基础上提高一定的幅度。但因为熔盐的成本较高等原因，最低放热温度被设定在290℃。

本发明采用固体颗粒蓄热方式，成本很低，所以，可以采用加大蓄热介质容量的方法来提高介质的最低放热温度，例如：暂时假设将蓄热介质（即沙粒）的最低放热温度提高到440℃，此时，可望使发电系统的蒸汽发生器产生的蒸汽压力达到24Mpa左右，过热后的蒸汽温度可达到500℃左右，这就可以使发电设备在“超临界”工况运行，可大幅度提升发电效率。

实际工程设计中，还可以进一步在技术经济比较之后，将沙粒介质的最低放热温度提升到450℃或更高。

这种尽可能提升固体颗粒蓄热介质最低放热温度的方法就是“小温差蓄热”方法。

本发明人经过一系列的技术经济比较后，得出的结论是蓄热温差为60℃到135℃之间，多数情况下可以得到一个良好的技术经济结果，因此，采用固体颗粒蓄热并且蓄热温差为60℃到135℃之间的技术方案为本发明的权利保护范围。

进一步说明如下：

假设塔式光热电站的太阳能吸热装置的介质输出温度为565℃，则可使固体颗粒介质的蓄热温度达到530℃左右，如果蓄热温差按60℃，则介质放热完毕之后的温度为505℃，考虑到换热温差因素，发电系统的蒸汽发生器的蒸汽温度约可达到470℃左右；如果蓄热温差按135℃，则介质放热完毕之后的温度为425℃，考虑换热温差因素之后，发电系统的蒸汽发生器的蒸汽温度可达390℃左右，均可使发电机在超临界状态下发电。

实施例7：小温差换热

与小温差蓄热相似，本发明提供小温差换热的技术方案，采用蓄放热换热器小温差换热的设计、运行方式，即蓄放热换热器的热侧温度与冷侧温度的平均温差控制在较小值但性能与投资比较优化的10℃到30℃之间。

采用这种技术方案，有利于提高热用户的用热温度和用户效率（例如发电效率）或者有利于降低热源侧的介质输出温度，从而提高热源侧的供热效率（例如：提高光热发电的太阳能吸热设备的吸热效率）。

具体实施方法包括但不限于增加蓄放热换热器的传热面积、提高蓄放热换热器管内的循环介质流速、对换热器的传热表面进行传热强化等多种技术措施。

实施例8：蓄热介质传热强化用薄层传热物质

为进一步提高本发明技术实施可行性，本发明提供一种在蓄热介质的表面覆盖薄层强化导热性能的物质的方法，从而在成本投入增加不多的情况下，有效提升固体颗粒蓄热介质的导热性能，提升传热效率。

应该说，本发明所述的固体颗粒物总体上都属于传热性能不佳的物质，所以，在具体实施过程中，必要时，应对这些固体颗粒物的传热性能进行强化，具体方法可采用：在固体颗粒物表面吹涂一层强化传热的物质，例如石墨粉。石墨粉是优良的导热物质，也非常容易附着在固体蓄热介质的表面，所以，实施工艺过程比较简单，例如：可以在蓄热介质容器的墙板、底板等部份制作小孔，然后利用风机从这些小孔将石墨粉吹到蓄热介质中，这些石墨粉将顺气流从固体颗粒物的缝隙中流动，最终均匀附着到蓄热介质的表面。

实施例9：动力循环蓄放热系统

本发明所述固体颗粒物蓄放热装置用于储存暂时不使用的热能并在必要的时候释放出所需要的热能,为了使这个过程更优化，本发明提供一个蓄放热系统的实施方案(系统循环介质流程实施方案)。

附图1所示为一种循环介质采用动力循环的固体颗粒物蓄热系统，包括所述的蓄热装置1、动力循环蓄放热切换装置2及相关的管路。为描述方便起见，附图1中还示出了热源设备5、热用户设备3以以它们之间的连接关系。

首先描述一下动力循环蓄放热切换装置的组成和连接关系：

l 所述动力循环蓄放热切换装置2用于整个系统的蓄热模式、放热模式或其它可能的工作模式(例如一边蓄热一边放热,可简称为边蓄边供）的切换或实现。

l 循环介质的驱动由介质循环泵203完成，由于有介质循环泵203这个动力装置，所以所述介质循环被称为动力循环。

l 为实现工作模式的切换，该切换装置中设置了4个阀门，包括：进口蓄热阀201、出口蓄热阀205、进口放热阀202、出口放热阀204及相关管路。进口蓄热阀201与进口放热阀202的出口连接到介质循环泵203的进口，出口蓄热阀205与出口放热阀204的进口连接到介质循环泵203的出口，出口放热阀204的出口连接到进口蓄热阀201的进口，整套蓄放热切换装置按这种方式连接后形成其对外的3个接口，即：蓄热出口阀205的出口连接口A，进口放热阀202的进入接口B，蓄热进入阀201进口与放热出口阀204出口连接后的共同接入口C；

所述蓄热装置1的蓄放热换热器103的冷端接口1033连接到动力循环蓄放热切换装置2的C接口，其热端接口1032连接到热用户的用户介质入口301，也连接到热源设备5的热源介质出口502；动力循环蓄放热切换装置2的接口B与热用户设备3的用户介质出口连接，接口A连接到热源设备5的热源介质入口。

这里所述的循环介质为在高温蓄热区间内不产生相变的流体物质，例如：熔盐、导热油、钠，甚至是二氧化碳。这几种循环介质可以适应于不同的蓄热温区范围，各有优劣点，可根据实际的蓄热温区、工作压力、传热性能等因素择优选择。例如，如果该蓄热装置与槽式光热发电设备配合使用时，可使用导热油、凝固点比较低的熔盐；当该蓄热装置与塔式光热设备配合使用时，可使用适合于所需较高温度范围的熔盐。

该系统为所述固体颗粒物蓄热装置提供了典型的、优化的应用技术方案，使所述固体颗粒物蓄热装置可应用于较广泛的场景，包括电力能源系统的源侧和用户侧，特别是在光热发电的应用中。

实际管路连接设计中，还可以设计出其它类型的连接设计，如附图6所示，可以采用双泵双阀的设计方案。这种管路连接设计方案以及其它在未经创造性工作而采用的与该连接方案相近的方案，都是本发明的保护范围。

附图6中，这种动力循环工作模式切换装置2主要包括两个介质循环泵（即：蓄热循环泵206和放热循环泵207）以两个阀门（蓄热进口阀201和放热进口阀202）。按该图进行管路连接后，同样会形成3个接口A,B和C， 这3个接口与蓄热装置1、热源设备5、热用户设备3的连接位置参见附图1。

实施例10-自然循环的蓄放热系统

为使本发明更好地得到应用，本发明提供另一种蓄热放热系统。在这个系统中，系统的介质循环采用蓄热温区范围内呈饱和状态的相变物质作为循环介质。为此，本发明提供如附图2所示的系统。从该图可以看出，介质在管路中的循环过程是没有外部动力(如介质循环泵)驱动的，其运行原理是“重力热管”原理，比较简单的说明是：气态介质自然上升，液态介质自然下落，参看相关的文献不难理解这个概念或原理。

为有效实现热管原理在本发明中的应用，如附图2所示，在系统中提供了“自然循环蓄放热切换装置”，并确定了各部份之间的连接关系。

进一步说明如下：

所述介质自然循环的固体颗粒蓄热系统包括固体颗粒物蓄热装置1、自然循环蓄放热切换装置4、热源设备5、热用户设备3，其中自然循环蓄放热切换装置4包括蓄热阀401和放热阀402及相关管路，蓄热阀401与放热阀402并联安装且流动方向相反；整套切换装置管路连接完成后形成其对外部管路的3个连接接口，分别为：蓄热阀401进口与放热阀402的出口连接后形成其共同对外连接的接口C、蓄热阀401的出口接口A、放热阀402的进口接口B。

所述蓄热装置1的冷端接口1033连接到自然循环蓄放热切换装置4的C接口，其热端接口1032连接到热用户设备3的热侧进口301、也连接到热源装置5的热源介质出口502，自然循环蓄放热切换装置4的接口B与热用户设备3的用户介质出口302相连接，接口A连接到热源设备5的热源介质入口501。

所述循环介质为在高温蓄热区间内呈饱和状态的流体物质,由于本发明的主要应用场景为高温应用，所以，这里提供几种适合于高温应用的循环介质，包括：硫，蒽，贡，水等。

该技术方案为相变物质作为循环介质提供了解决方案，采用相变物质循环可简化管路的设计，还可以利用热管自然循环，取消介质循环泵的动力消耗，提高系统的效率。

Claims (10)

1.一种蓄放热装置，包括：蓄热介质、介质容器、蓄放热换热器、循环介质，其特征是：所述蓄热介质为蓄放热温度区间内物理性质、化学性质稳定且易于就地取材的颗粒状物质，蓄热介质填充于介质容器内部；所述蓄放热换热器的传热单元分布于蓄热介质之间；蓄放热换热器由一系列管状传热单元、热端集管、冷端集管等组成，所述管状传热单元的外表面与蓄热介质相接触，管内为循环介质的流动通道；所述循环介质为流体物质；管状传热单元的管路两端分别与热端集管和冷端集管连接，形成一个完整的蓄放热换热器并可通过热端集管和冷端集管与外部管路或设备连接，实现蓄热或放热过程。

2.如权利要求1所述蓄热介质为适合于蓄热温度为300-800℃、以硅酸盐为主的物质。

3.如权利要求1所述循环介质为适合于蓄热温度为300-800℃的流体物质。

4.如权利要求1所述蓄放热换热器为多通路蛇形管结构，包括：热端集管、冷端集管、蛇形管，所述蛇形管有多根，蛇形管的一端与热端集管连接，另一端与冷端集管连接。

5.如权利要求1所述介质容器,其特征是：容器的保温材料直接使用与蓄热介质相同的材料，蓄热介质直接接触容器内表面。

6.如权利要求1所述的蓄热介质的表面覆盖薄层强化导热性能的物质。

7.如权利要求1所述蓄热装置，其蓄热介质采用小温差蓄热放热的设计、运行方式，即蓄热介质的蓄热完毕温度与放热完毕温度差值范围为60℃到135℃之间。

8.如权利要求1所述蓄放热换热器采用小温差换热的设计、运行方式，即蓄放热换热器的热侧温度与冷侧温度的平均温差为10℃到30℃之间。

9.一种蓄放热系统，包括权利要求1所述蓄热装置、模式切换装置及相关管路，其特征是：所述模式切换装置用于蓄热模式、放热模式的切换，包括介质循环泵、进口蓄热阀、出口蓄热阀、进口放热阀、出口放热阀及相关管路组成，进口蓄热阀与进口放热阀的出口连接到介质循环泵的进口，出口蓄热阀与出口放热阀的进口连接到介质循环泵的出口，出口放热阀的出口连接到进口蓄热阀的进口；整套切换装置按这种方式连接后形成其对外的3个接口，即：用于与热源设备的介质进口连接的接口(即热源接口)，进口放热阀的进入接口（即放热接口），蓄热进入阀进口与放热出口阀出口连接后的共同接口（即蓄热装置接口）;所述蓄热装置的冷端接口连接到所述模式切换装置的蓄热装置接口；蓄热装置的热端接口用于与热用户设备的介质入口和热源设备的出口之间的管路连接。

10.一种蓄放热系统，包括权利要求1所述蓄热装置、模式切换装置及相关管路，其特征是：所述模式切换装置用于蓄热模式、放热模式的切换，包括蓄热阀和放热阀及相关管路，蓄热阀与放热阀并联安装且其介质流动方向相反；整套切换装置管路连接完成后形成其对外部管路的3个连接接口，分别为：蓄热阀进口与放热阀的出口连接后形成其共同对外的接口(简称为蓄热装置接口)、蓄热阀的出口接口（简称为热源接口）、放热阀的进口接口（简称为放热接口）；模式切换装置的蓄热装置接口连接到蓄热装置的冷端接口；蓄热装置的热端接口用于与热用户设备的介质入口和热源设备的出口之间的管路连接。

Images