CN115930651A - 高温相变蓄放热装置 - 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工作温度区间内会产生固态到液态和液态到固态的相变过程的盐类物质，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；该蓄放热装置主要应用于太阳能光热发电、辅助火电机组灵活性运行等应用场景。

Description

高温相变蓄放热装置

技术领域

本发明属于储能技术领域，特别涉及到太阳能光热发电的热储能技术领域。

背景技术

目前太阳能塔式光热发电系统中所应用的蓄热放热技术为熔盐蓄热放热装置，包括高温熔盐罐、低温熔盐罐、高温罐熔盐泵、低温罐熔盐泵及相关的管路，蓄热介质为熔盐，熔盐根据蓄热与放热过程的不同而分别储存在两个罐中，即：在蓄热过程中，熔盐从低温熔盐罐抽出，经过太阳能塔式吸热装置吸收热量之后，流到高温熔盐罐中储存热量，反之，熔盐则从高温熔盐罐中抽出，经过放热换热器（发电装置的蒸汽发生器）放出热量后，流动到低温熔盐罐储存。因此，这种蓄放热装置的热能传递仅依靠熔盐的温度上升或下降所带来的“显热量”变化实现。

本发明人分析这种太阳能光热发电的蓄放热系统，存在如下问题：

1由于仅利用了显热变化来储存热量，为获得较大的蓄热量或降低蓄热介质(或系统)的投资，蓄热介质的放热低温温度被尽量降低。目前的典型设计工况是：蓄热高温为565℃左右，蓄热低温(放热后的温度)为290℃左右， 这就将发电装置中的蒸汽发生器的蒸汽输出温度被限制在307℃左右，从而使发电机组只能工作在“过热蒸汽”发电循环，不能在效率较高的超临界发电工况工作，更不能实现在“超超临界”发电工况工作；

2采用冷热双罐蓄放热方式，使蓄热装置的总体积、总占地面积较大，也因此增加了投资；

3为使熔盐介质具有较好的适用性(防腐、低毒性、凝固温度低等方面)，所选择的熔盐为多组份熔盐，即由多种盐混合而成的多元盐（一般为二元盐、三元盐），这就使熔盐的成本较高，降低了项目的经济性能。

为改进现有太阳能塔式光热发电系统中蓄放热装置的上述问题，本发明提供一种高温相变蓄放热装置及相应的太阳能光热发电系统。

发明内容

本发明提供一种“高温相变蓄放热装置”及相应的太阳能光热发电系统，可以在现有太阳能光热熔盐蓄放热技术的基础上，取得较大的技术提升，包括：发电效率提升、造价下降、占用空间减小等方面。

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过程中会出现固态到液态和液态到固态的相变过程的盐类物质，蓄热介质填充于介质容器内部；所述蓄放热换热器由一系列分布于蓄热介质之间的管状传热单元、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，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；所述循环介质为流体物质，在蓄放热换热器的传热单元管内流动。

相比现有光热发电用蓄放热装置，本发明所述蓄放热装置具有如下优势：

1利用相变物质作为蓄热介质，可利用蓄热介质的相变潜热大的特点进行热能的转换，在同样的蓄热高温和蓄热低温情况下，同样质量的蓄热介质可以提供更多的蓄热能力，从而使蓄热介质的总容量或总质量减小，有利于减少蓄热介质的使用；

2由于蓄热介质为单一物质，不会因为需要多种物质的混合而造成成本上升；

3将熔盐双罐(双容器)改变成单个蓄热介质容器，在同等基准下(同等蓄热量、同样的热工参数等),本发明蓄放热装置的总占地面积及占用空间将减小，蓄热介质容器的造价将下降；

4由于蓄热介质在工作过程中没有转移过程，为静止状态，即使因为某些原因出现蓄热介质凝固现象（例如长时间阴雨天使系统不工作）也不会影响系统正常工作，而目前的熔盐蓄放热装置在工作过程中，必须严密监控，避免介质凝固这种情况（可被定义为事故）出现。

此外，目前市场上已经有多种“相变蓄热”的技术在应用之中了，大多是低温蓄热的应用，不适用于高温应用；也有高温蓄热技术在应用中了，主要应用于电加热蓄热与供暖、供蒸汽等方面，不适用于本发明所要解决的主要应用场所(即太阳能光热发电)，例如：

1江苏金合能源科技有限公司的申请号为201821280379.6的专利，使用了相变技术，相变温度可达550-650℃，是本发明的主要应用范围；但该专利采用空气循环放热的方式，不适用于太阳能光热发电的应用；该公司还申请了其它多项高温相变专利，也都不适用太阳能光热应用。

2湖南科技大学的申请号为202210339841.X的专利，采用了相变蓄热技术，并且也是针对太阳能的应用(民用供暖)，也不适用于太阳能光热发电的应用。

3中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司的申请号为202210514516.2的专利，将相变技术与固体蓄热技术结合，还提供了多种相变介质，但该相变技术也不是为太阳能光热发电而提供的技术，因此，也不适用于太阳能光热发电场景。

进一步地，本发明将所述蓄热介质选择为“硝酸钙”。

这种蓄热介质的主要特点包括：熔点为561℃，与目前塔式光热发电系统的蓄热温度（565℃左右）非常接近。其它有益优势还包括：腐蚀性极低，有利于蓄放热换热器材质的选择，有利用介质容器材质的选择，降低换热器与介质容器的造价；其蒸汽压非常低，在使用过程中挥发损失极低；工农业生产过程中使用量大，容易获取，成本低。

进一步地，所述循环介质采用热传输过程为液态、气态共存的二相流状态的物质，如硫、蒽等物质。

采用二相流介质的热传输技术方案，与传统单相(液体)的热传输技术方案相比，由于二相流介质在吸热装置与蓄放热装置中的换热过程主要为“潜热”变化过程，在这个过程中介质的温度不变却会有大量的热量转化，所以，介质的传输流量大幅度降低，这就产生了如下有益效果：

1介质流量降低，可使传输管路直径减小，缩小管路的安装空间，降低管路的安装难度；

2介质循环泵输送的流量小，因此输送功率降低，可提高系统的能量效率；

3降低热传输介质的使用量，从而降低传输介质的成本；

4在换热器中的潜热变化过程可提高传热的效率，有利于降低换热器的造价。

可选地，所述介质容器为保温性能良好的容器，该容器包括容器箱体和容器顶盖，容器箱体由内层、中间层、外层构成，其中中间层采用沙子作为保温材料。

采用这种结构的介质容器可以明显降低容器的造价，因为沙子是容易获取到的廉价材料，并且这种技术方案特别适用于太阳能光热蓄热系统的应用，施工也非常简便。

可选地，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控制在10℃到50℃之间。

采用这种技术方案，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。

进一步地，为提高所述高温相变蓄放热装置的应用可行性，本发明提供一种太阳能光热发电系统，包括蓄放热装置、太阳能吸热装置、发电装置、热能传输系统，所述蓄放热装置采用高温相变蓄放热装置，所述热能传输系统包括介质驱动装置及介质循环管路系统，蓄放热装置、太阳能吸热装置、发电装置通过热能传输系统按照可实现太阳能蓄热、发电等热能动力过程的方式相互连接。

可选地，所述介质循环管路系统包括蓄热高位管、蓄热低位管、蓄热上升管、蓄热下降管、放热上升管、放热下降管及其它相关连接管路；所述介质驱动装置由储液器、介质循环泵、蓄热进口阀、蓄热出口阀、放热进口阀、放热出口阀组成；蓄热进口阀的出口与放热进口阀的出口连接到储液器内部，储液器出口连接到介质循环泵的进口，介质循环泵的出口连接到放热出口阀的进口及蓄热出口阀的进口，放热出口阀连接到蓄热进口阀的进口；经过所述连接之后，该介质驱动装置形成其对外连接的3个接口，分别是：蓄热进口阀的进口与放热出口阀的出口的共同接口，即蓄放热接口(C7)，蓄热出口阀的出口接口,即蓄热接口(C9)，放热进口阀的进口接口,即放热接口(C8)；蓄热接口(C9)通过蓄热上升管连接到太阳能吸热器的介质进口,即吸热装置进口(C2)，放热接口(C8)通过放热下降管连接到发电装置的介质出口，即蒸汽发生器出口(C4)，蓄放热接口(C7)通过蓄热低位管连接到蓄放热装置的冷端接口(C6)；蓄放热装置的热端接口(C5)依次通过蓄热高位管和蓄热下降管后连接到太阳能吸热器的介质出口即吸热装置出口(C1)，蓄放热装置的热端接口(C5)依次通过蓄热高位管和放热上升管后连接到发电装置的介质进口即蒸汽发生器进口(C3)；

进一步地，所述的介质驱动装置安装在低于蓄热低位管的位置。

上述技术方案是高温相变蓄热系统的一种优化应用，采用这种技术方案可以提高太阳能光热系统的发电效率、降低蓄热系统的投资、减小蓄热系统的占地面积和体积，从而提高整个系统的技术经济性能。

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是一种典型的高温相变蓄放热装置的示意图。

附图2是一种典型的蓄放热换热器的结构示意图。

附图3是高温相变蓄放热装置应用于光热发电系统的一种典型应用方法的示意图。

附图4是目前太阳能光热发电系统所用的熔盐蓄热装置的系统原理、组成示意图。

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 容器箱体

10111 容器外层

10112 容器中间层

10113 容器内层

1012 容器顶盖

10121 顶盖内层

10122 顶盖中间层

10123 顶盖顶层

102 蓄热介质

103 蓄放热换热器

1031 蛇形管

1032 蓄放热换热器的热端接口

1033 蓄放热换热器的冷端接口

1034 热端集管

1035 冷端集管

104 循环介质

2 介质驱动装置

201 蓄热进口阀

202 放热出口阀

203 介质循环泵

204 蓄热出口阀

205 储液器

206 放热进口阀

3 发电装置

301 蒸汽发生器

302 发电设备

4 介质循环管路系统

401 蓄热下降管

402 蓄热上升管

403 放热上升管

404 放热下降管

405 蓄热高位管

406 蓄热低位管

5 太阳能吸热器

C1 吸热装置出口

C2 吸热装置进口

C3 蒸汽发生器进口

C4 蒸汽发生器出口

C5 热端接口

C6 冷端接口

C7 蓄放热接口

C8 放热接口

C9 蓄热接口。

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或实施方法以对本发明的相关装置、模块、功能进行说明。

本实施例对一种典型的高温相变蓄热装置进行说明，并提供相变蓄热介质的优选对象。

附图1提供了一种典型的高温相变蓄热装置的结构示意图，如该图所示，所述高温相变蓄放热装置包括蓄热介质102、介质容器101、蓄放热换热器103，还包括蓄放热换热器管路内部的循环介质104(图中未明显示出)，所述蓄热介质102为蓄放热过程中会出现固态到液态和液态到固态的相变过程的盐类物质，蓄热介质104填充于介质容器101内部；所述蓄放热换热器103由一系列分布于蓄热介质102之间的管状传热单元、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104相接触，管内为循环介质104的流动通道，管状传热单元的管路两端分别与热端集管1034和冷端集管1035连接，形成一个完整的蓄放热换热器103并可通过热端集管1034和冷端集管1035与外部管路或设备连接，实现蓄热或放热过程；所述循环介质104为流体物质，在蓄放热换热器103的传热单元管内流动。

如附图2所示，蓄放热换热器103做成由一系列管状传热单元1031和热端集管1034、冷端集管1035等组成的组件；整个组件放置于介质容器101内部，沉没在蓄热介质102之中；由于管状传热单元1031成基本均匀的布局，因此，传热单元1031的外表面与蓄热介质102可均匀接触、实现良好的换热；管状传热单元1031及整个蓄放热换热器103的内部为循环介质104的流动空间，循环介质104在蓄放热换热器103内部流动过程中，就可以与管外的蓄热介质102进行热交换，实现蓄热和放热过程的热量交换。

为提高传热性能、优化蓄放热换热器103的结构和造价，可以在管状传热单元1031的外部制作“翅片”，以扩展换热面积，同时可减少管路的数量，在降低造价的同时，保证或提高换热性能。

采用这种蓄放热换热器结构，使蓄热介质102成为静止不运动的工作状态，所以，蓄热介质102可以是固态，也可以是液态，这就降低了对蓄热介质102的要求；蓄放热换热器103设计成蛇形管的状态，使其具备柔性，因此，在管外的蓄热介质102在固态、液态两种状态变化之时，不会因为蓄热介质102的相态变化受到大的应力变化变形而损坏。这种蛇形管换热器的加工难度也不大，无论是在厂内加工或是施工现场加工或安装，都不存在加工工艺的问题，因此，这种技术方案非常容易实施。

为使本发明更易于实施，本实施例提供一种蓄放热换热器的结构设计方案，如附图2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1031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1031都与热端集管1034、冷端集管1035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1034或冷端集管1035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。

如附图1所示，在本发明实施之时，需要在介质容器101的顶部保留一定高度的气相空间，因为蓄热介质104在蓄热或放热过程中，会因为热胀冷缩而产生体积变化，保留该空间可避免升温过程中，液态蓄热介质102溢出；在设计过程中，只需要根据蓄热温差及蓄热介质的体膨胀系数计算出所需要的预留气相空间容积即可。

高温相变蓄放热装置的蓄热介质102采用蓄放热温度区间内会出现固态到液态和液态到固态相变过程物质，这就可以利用物质的相变过程潜热来显著提升蓄热能力、减少蓄热介质102的使用量、缩小介质的体积、提高热能的可利用品位。

为了利用好物质的相变过程，我们也需要对相变物质进行良好的选择，因为盐类物质非常多，这些物质都存相变过程，并且，不同的盐类物质具有不同的相变温度、不同的热工特性。

在高温蓄热应用中，我们需要根据蓄热温度或热用户的用热温度来选择具有合适的相变温度的盐类物质，在选择过程中，需要考虑的因素包括但不限于：

具有较高的相变潜热；

具有较高的比热容；

在蓄放热工作温区范围内，性质稳定；

无毒性，无腐蚀或腐蚀性低；

易获取，成本低

当然，还有最主要的一个因素就是：介质的相变温度要适配用户的用热温度、热源可以提供的蓄热温度。

例如，对于太阳能光热发电的蓄热介质的选择，本发明推荐选择硝酸钙，具体说明如下：

目前光热熔盐发电系统采用液态熔盐双罐蓄热放热系统（参见附图4），熔盐的蓄热温度为565℃，放热到290℃，蓄放热温差为275℃；单位质量的熔盐的蓄放热能力约为：391kJ/kg；如果采用硝酸钙作为相变蓄热材料，其相变点为561℃，如果同样放热到290℃(固态)，其整个过程的热能变化(放热能力)约为：595kJ/kg，相比目前的蓄放热技术方案，同样质量(体积也相近)的硝酸钙可增加约52%的蓄放热能力；产生这种效果的原因是：在这个过程中，利用了销酸钙的相变潜热，约为210kJ/(kg.K)。因此，采用该蓄热介质可以减少蓄热介质的质量或缩小蓄热介质的体积或在同等体积情况下可以提升介质的蓄热量。

选择硝酸钙作为蓄热介质还具体如下的优良特点：

首先是：目前市场上，这种物质可大量供应，成本只有目前的二元熔盐、三元熔盐的30%左右，因此，可以显著降低蓄热装置的造价。另外，这种物质的腐蚀性也极低，材料的兼容性很好，毒性极低，相变潜热较大。

硝酸钙的相变温度已经接近目前的光热发电太阳能吸热装置的介质出口温度，所以，可以将蓄热高温设定在562℃；而放热低温的设定则推荐采用520℃左右的温度，在这种情况下，我们不难得到发电设备所需要的较高的蒸汽温度，例如480℃左右的蒸汽温度，使发电机组工作在超临界甚至超超临界发电工况，得到较高的发电效率。

在选择到合适的蓄热介质的情况下，可使介质在较高温度范围储存或释放较多的热量，从而提升热量输出的品位（即提高输出温度）；仍以硝酸钙为例进行说明：该介质的相变温度为561℃，在该相变温度下，相变过程中，可以有约210kJ/kg的热量变化，相当于液态熔盐介质温度变化约150℃的热量，就是说：在同样的热量变化过程中，相比液态熔盐介质，可以直接提高热能输出温度150℃，从而大幅度提高了热能输出的品位。由于物质的温度越高，其热能品位越高，可利用性能越好，所以，本发明采用相变蓄热介质的技术，可提升热能的利用效率。

现有液体熔盐蓄热技术由于采用液体熔盐蓄热的方式，蓄热介质与循环介质均为液体熔盐，蓄放热过程中，全部液体熔盐需要进行至少一次的完整循环。本发明的蓄热方案，蓄热介质与循环介质为两种不同的介质，蓄热介质在介质容器中静止不动，不进入循环管路系统中，热量通过循环介质进行传递。由于蓄热介质不需要运动，所以，蓄热介质工作过程中，既可以是液体，也可以是固体，这就减少了蓄热介质选择过程中的要求，选择范围更宽广。例如，传统的液体熔盐必须选择固态、液态相变温度较低的物质，为实现该目的，目前采用的技术方案是：采用多种熔盐混合之后的多元盐，常用的有二元盐和三元盐，为了使所得到的多组份熔盐满足使用的要求，需要对熔盐的组份进行大量的研究、试验验证工作。而采用本发明技术方案，对熔盐的固、液相变温度可以不必有太高的要求，因此，获取难度变小，对应地，设备造价会降低。

接下来，介绍一下循环介质的选择方法。

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：

在所述温度范围内具有良好的流动性，不容易凝固；

凝固点尽量低，以尽量避免出现凝固的情况；

具有较高的比热容；

在蓄放热工作温区范围内，性质稳定；

无毒性，无腐蚀或腐蚀性低；

工作压力低。

本发明推荐使用如下循环介质和使用的方法。

三元熔盐：适用于温度范围约为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。

特别强调的是：循环介质采用相变物质也将使本发明技术方案更加优化，并且，在太阳能光热发电的应用中更是一种良好的选择。采用相变物质作为循环介质，可提升太阳能光热发电系统中太阳能吸热器的换热效率、减小循环介质的管路直径、减少循环介质的使用量、降低介质循环泵的运行功率，提升整个系统的运行效率。

本实施例特别推荐采用两种相变物质，硫和蒽。

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。

蒽的熔点为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。

为使本发明更有效实施，本实施例提供一种优化的介质容器的保温结构。

参见附图1，介质容器101由容器箱体1011和容器顶盖1012两大部份组成；其中，容器箱体1011由三层组成，分别是：容器外层10111，容器中间层10112和容器内层10113；容器内层10113由于与蓄热介质相接触，因此，需要采用与蓄热介质兼容的材料，所谓兼容主要是指：防腐、防锈等，在工作温度范围内，具有必要的强度；在太阳能光热发电的温度范围内，大多数情况下可以采用不锈钢材料；而太阳能槽式光热发电系统中，所采用的循环介质温度较低，则大多数情况下可以采用普通碳钢；容器中间层需要提供足够的保温性能，常规的方法是采用耐高温隔热材料，视具体的蓄热介质温度而异；对于太阳能光热发电的应用，采用沙子是一种良好的选择，因为沙子具有良好的绝热性能，且来源广泛，成本低廉；对于太阳能光热发电的太用，这更加是一种良好选择，因为太阳能光热发电设备一般安装在沙膜地区；容器外层10111所采用的材料则没有特别的要求，只需要具有一定的室外安装防风雨性能即可。

将介质容器设计成这样的三层结构，其主要目的就是为了方便应用沙子作为保温材料。因为，容器的内层和外层可以分别加工和安装，之后，可以方便地将沙子填充到内层和外层的中间即可。沙子保温层的厚度不难通过传热学计算确定。由于沙子来源广泛，成本低廉，所以，实际工程中，宜保守设计，即：使沙子隔热保温层做得比较厚，可得到很好的保温或节能的效果。

如附图1所示，容器顶盖1012同样由三层组成，分别是：顶盖内层10121，顶盖中间层10122，顶盖顶层10123。由于内层靠近蓄热介质，会受到介质高温的影响，并且还会受到介质气体的影响，所以，一方面需要有足够的强度，另一方面还需要考虑防腐的要求。在太阳能光热发电应用中，可以根据温度范围，先择不锈钢板材料或普通钢板材料。顶盖顶层由于受日晒雨淋，所以，需要具有承受室外气候变化的能力；顶盖内层与顶盖顶层之间的顶盖中间层则可以使用比较轻巧的保温材料，当然，同样可以选择沙子作为中间层，不过，顶盖内层的强度需要得到保证。

介质容器的形状宜采用长方体形状，其好处是：介质容器的结构设计及制造安装都比较简化，并且蓄放热换热器也同样较容易设计、制造和安装。

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。

在进行蓄放热换热器的设计时，我们可以采用小温差换热的技术方案来进一步提高系统的热效率，当然，这会提高换热器的造价。同样，由于采用单一蓄热介质比采用二元熔盐、三元熔盐等液态熔盐蓄热技术的蓄热介质的造价有大幅度下降，所以，换热器的小温差换热技术的应用就有了较大的优化空间，即：可以在适度提升造价的情况下，有效提高系统的热效率。

本发明推荐的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10℃到50℃之间,在这个温度范围内，可以得到较优化的技术经济性能。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。

为使本发明更好地得到应用，本实施例提供一种采用高温相变蓄热装置的太阳能光热系统及其具体实施方案。

如附图3所示，整个太阳能光热发电系统，包括蓄放热装置1、太阳能吸热装置5、发电装置3、热能传输系统等几个模块，其中蓄放热装置1采用高温相变蓄放热装置，热能传输系统包括介质驱动装置2及介质循环管路系统4；蓄放热装置1、太阳能吸热装置5、发电装置3通过热能传输系统连接；热能传输系统的热传输循环介质104采用工作温度范围内为饱和状态或二相状态(即介质为气相状态与液相状态同时存在的状态)的介质。

所选循环介质104应具备如下特性：

1在所述温度范围内具有良好的流动性，流动阻力低，以减少介质循环泵动力驱动过程的能量消耗、还可缩小管路的直径；

2具有较高的比热容，以减少介质的使用量，提高系统的热力性能；

3在蓄放热工作温区范围内，性质稳定，以满足使用寿命和工作可靠性的要求；

4毒性、腐蚀性低或无毒性、腐蚀性以提高安全性和使用寿命；

5难燃或不燃以提高安全性；

6工作压力低，以降低管路的造价；

7成本低。

适用于太阳能光热发电范围的二相状态物质有多种，但全面满足上述要求的物质却并不多，本实施例推荐使用“硫”、“蒽”两种物质，可满足上述大部份要求。

热量传输系统的实施是本发明的关键部份，能否顺利实施本发明，需要做好这一部份工作，以下对此进行详细说明。

首先，本热量传输系统必须安装“介质驱动装置”，以使介质能“顺利”送到高位，因为太阳能吸热装置绝大多数情况下高于蓄热装置；即使在个别特殊情况下，太阳能吸热装置的安装高度低于蓄放热装置的位置，采用该介质驱动装置也将有利于介质循环及系统热力过程的实现。

以下首先以太阳能吸热装置在高位的情况以及蓄热过程为例进行说明。

如附图3所示，太阳能光热的蓄热基本过程是：太阳能吸热器5吸收太阳光的能量，加热吸热器管路中的循环介质104，循环介质104吸收太阳的热量，将吸热器中的液态循环介质104蒸发为气态介质；气态介质自然上升到吸热器的高位，并从位于吸热器高位的吸热装置出口C1流出；之后，顺蓄热下降管401、蓄热高位管405流动到蓄放热装置1之中；由于蓄热放装置1中的蓄热介质102的温度较低，进入蓄放热装置1中的循环介质104的热量被蓄热介质102吸收，从而被冷凝成液体；循环介质104液体在其自身重力的作用下下落并沿蓄放热换热器103的传热管路流出，进入到蓄热低位管406，然后通过蓄热进口阀201(打开)进入储液器205；介质循环泵203从储液器205下部抽取循环介质，将循环介质送到蓄热上升管402中，进而送入太阳能吸热器5，循环介质在太阳能吸热器5中再次吸热气化，完成一个吸热、蓄热循环。循环介质104在所述流程管路中不断循环，持续吸收太阳能热量，并将热量储存在蓄热介质102中，直到达到蓄热最高温度或直到太阳能不可用(如夜间)为止。

接下来，描述一下发电过程的介质循环过程。

在本系统中，发电装置3至少会包含两大部件，即：蒸汽发生器301和发电设备302，其中蒸汽发生器301用于接收来自于太阳能吸热器5或储存于蓄放热换热器1中的热能，将这些热能转换为发电过程中所需要的“蒸汽热能”。

一般情况下，循环介质的循环过程为：

进入蒸汽发生器301中的循环介质104与蒸汽发生器301中的水进行热交换，水被加热，汽化为蒸汽，同时循环介质104被冷却，最终全部冷凝为液态介质。

为保证介质的顺利自然流动，蒸汽发生器301需要安装在高于介质驱动装置2的位置，在这种情况下，冷凝之后的液态介质就可以自然顺放热下降管404流动到储液器205中（经过打开后的放热进口阀206），介质循环泵203从储液器205中抽取液态介质，经过放热出口阀202、蓄热低位管406后，送到蓄放热换热器103中；在蓄放热换热器103中，循环介质104吸收储存的热量，气化为气体介质；然后，流出蓄放热换热器103，沿蓄热高位高405、放热上升管路403回到蒸汽发生器301中，完成一个放热循环。此过程不断循环，直到所有热量用完或发电过程停止为止。

为更加清晰理解本实施方式，这里对几根主要管路及其名称、介质状态做进一步补充说明如下：

蓄热下降管401： 指从太阳能吸热器C1接口接出的管路。由于太阳能吸热器在高位，在该管段，循环介质始终向下流动，并且主要使用于太阳能蓄热过程中，所以称为蓄热下降管；

蓄热上升管402：指太阳能吸热器的C2接口与介质驱动装置的C9接口之间的这一根管段。由于太阳能吸热器在高位，在该管路段，循环介质始终向上流动，并且主要使用于太阳能蓄热过程中，所以称为蓄热上升管；蓄热过程中，液态循环介质从低位向高位流动，在较低位时，为液态；随着高度上升，压力降低，当压力降低到低于饱和温度时，循环介质开始气化；然后，在该管段的高位部份，管内为气相、液相的二相流动状态；

放热上升管403：指连接到蒸汽发生器C3接口一段管路。为优化发电过程的流程，蒸汽发生器301安装在高于蓄放热装置1的位置，因此，在发电过程中，循环介质104在该管路中流动时，是从下向上的流动过程，所以，称为放热上升管。该管路中，循环介质为气态；

放热下降管404：指蒸汽发生器301的C4接口与介质驱动装置的C8接口之间的管路。为优化发电过程的流程，蒸汽发生器301应安装在高于蓄放热装置1的位置，因此，在发电过程中，循环介质104在该管路中流动时，是从上向下的流动过程，所以，称为放热下降管。该管路中，循环介质为液态，即：在蒸汽发生器中冷凝下来的液态循环介质顺该管路向下流动进入到储液器205中；

蓄热高位管405：这是指从蓄放热装置1的热端接口接出来的管路，位于蓄放热装置1的较高位的地方。该管路中的循环介质104一般为气态，实际安装时，应保证水平安装，以实现介质的自然流动。

蓄热低位管406：这是指从蓄放热装置1的冷端接口C6接出来的管路，位于蓄放热装置1的较低位的地方。该管路中的循环介质104一般为液态，实际安装时，应保证水平安装，以实现介质的自然流动及液态介质顺利流动到储液器中。

显然，太阳能吸热与发电过程是可以同时进行的。

在太阳能吸热过程中，所产生的循环介质气体可以沿蓄热下降管401和放热上升管403流动到蒸汽发生器301，从蒸汽发生器301流出并顺放热下降管604流入到储液器205中，介质循环泵203从储液器205中抽取介质液体，然后经过蓄热出口阀204及蓄热上升管402送入到太阳能吸热装置5中，即完成一个直接的吸热到发电的介质循环过程。

通过上述的循环过程的描述可知，介质循环过程中，在某些管段中介质为液体状态，某些管段中，介质为气体状态，另外，在某些管段中，介质为气相、液相共存的状态。

这种气体、液相共存的状态主要出现在以下位置或以下情况：

1蓄热上升管402：液态介质离开介质循环泵203之后，由于高度逐步增加，相当于液体的压力降低，当降低到饱和压力后，即成为气液共存的二相流动状态；

2太阳能吸热装置换热器内部： 来自于蓄热上升管402中的气液二相循环介质，进入到该换热器内部，自然是气液二相状态，随着吸热过程的进行，液体将被部份或全部蒸发成为气体；

3蓄热下降管401：理想状态下，该管路中的循环介质104为饱和气态介质，即离开太阳能吸热器5的循环介质104刚好被全部蒸发成为气体。不过，一般并非这种状态，而是过热气体状态或气液混合状态，其中液体成分为少量；

4蓄热高位管405：其中的介质状态与蓄热下降管相似，不再详述；

5蓄放热换热器103：无论是蓄热过程还是放热过程，其中的循环介质104均为气相、液相共存状态；

6蓄热低位管406：均为液体状态；

7介质驱动装置中的管路：均为液体状态；

8放热下降管404：下段为液体状态，上段为气液共存状态；

9放热上升管403：气体状态；

10 蒸汽发生器301：气液共存状态。

根据上面的描述可知，循环介质104在循环过程中是以气相、液相两种状态出现，所以，本发明的热能传输系统可被称为二相流介质热传输系统。

采用这种二相流介质传输系统的有益效果是：由于介质利用了相变潜热较大的特点，使单位质量的介质可以传输较多的热量、介质的使用量降低，进而获得一系列相应的有益效果，包括但不限于：

管路直径变小；

介质使用量少；

介质循环泵的功率降低。

本实施例所述太阳能光热发电系统可以完成三种工作模式：

太阳能吸热蓄热模式，可简称为：蓄热模式；

发电装置利用蓄放热装置中的热量进行发电的模式，可简称为放热发电模式；

太阳能吸热器吸热与发电同时进行的模式，简称为即时发电模式或边蓄边发模式。

这三种工作模式的转换主要依靠介质驱动装置的阀门切换来实现，三种模式下的阀门、部件的开关状态描述如下：

蓄热模式：介质循环泵203 开；蓄热进口阀201 开；放热进口阀206 关；放热出口阀202 关；蓄热出口阀204 开；

放热发电模式：介质循环泵203 开；蓄热进口阀201 关；放热进口阀206 开；放热出口阀202 开；蓄热出口阀204 关；

即时发电模式(边蓄边发模式)：介质循环泵203 开；蓄热进口阀201 开；放热进口阀206 开；放热出口阀202 关；蓄热出口阀204 开。

为实现循环介质的良好流动，介质驱动装置2需要安装在低于蓄放热装置1的地方，保证介质循环泵203的正常工作。

在介质循环泵203的进口位置设置储液器205是保证介质循环泵203正常工作的一个必要措施，可保证介质循环泵203的进口的液体量充足，避免介质循环泵203的进口容易被快速抽空，导致泵的“气蚀”。

整套介质驱动装置2须安装在低于蓄放热装置1的位置，以保证蓄放热换热器103中冷凝的循环介质顺利有序地流动到储液器205中。

此外，还需要注意，介质循环泵203的安装位置除了如图3所示低于储液器之外，还必须与储液器205之间有足够的高度差，即保证必要的“气蚀余量”，具体实施时，通过管路阻力(储液器205出口到介质泵203入口之间的管路阻力)的计算避免气蚀现象的产生。

在进行蓄放热换热器103的设计和制造时，需注意使该换热器内部的循环介质104可以利用重力或热动力自然流动，即避免管路出现上下反复的现象，造成局部的液体或气体不能有组织的流动，降低换热效率。如图1所示，做成蛇形管换热器是一种良好的方法，因为在蛇形管内部的液体可以依靠重力自然下流，而气体介质则可以自然上升；当然，如果换热管能做全部做成垂直安装的方式，则流动性更好，但需要在流动性与传热效率方面进行取舍。

同样道理，太阳能吸热器以及发电装置中的蒸汽发生器在设计和制造、安装过程中，也需要注意同样的内容。

Claims (8)

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过程中会出现固态到液态和液态到固态的相变过程的盐类物质，蓄热介质填充于介质容器内部；所述蓄放热换热器由一系列分布于蓄热介质之间的管状传热单元、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，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；所述循环介质为流体物质，在蓄放热换热器的传热单元管内流动。

2.如权利要求1所述蓄热介质为硝酸钙。

3.如权利要求1所述循环介质为蓄放热工作过程中处于液态与气态共存的双相状态物质，蓄放热过程中，循环介质在蓄放热管路系统中以二相流状态循环流动。

4.如权利要求1所述的介质容器为保温性能良好的容器，其特征是：该容器包括容器箱体和容器顶盖，容器箱体由内层、中间层、外层构成，其中中间层为沙子。

5.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50℃之间。

6.一种太阳能光热发电系统，包括蓄放热装置、太阳能吸热装置、发电装置、热能传输系统，其特征是：所述蓄放热装置为权利要求1所述的高温相变蓄放热装置，所述热能传输系统包括介质驱动装置及介质循环管路系统，蓄放热装置、太阳能吸热装置、发电装置通过热能传输系统按照可实现太阳能蓄热、发电等热能动力过程的方式相互连接。

7.如权利要求6所述的太阳能光热发电系统，其特征是：所述介质循环管路系统包括蓄热高位管、蓄热低位管、蓄热上升管、蓄热下降管、放热上升管、放热下降管及其它相关连接管路；所述介质驱动装置由储液器、介质循环泵、蓄热进口阀、蓄热出口阀、放热进口阀、放热出口阀组成；蓄热进口阀的出口与放热进口阀的出口连接到储液器内部，储液器出口连接到介质循环泵的进口，介质循环泵的出口连接到放热出口阀的进口及蓄热出口阀的进口，放热出口阀连接到蓄热进口阀的进口；经过所述连接之后，该介质驱动装置形成其对外连接的3个接口，分别是：蓄热进口阀的进口与放热出口阀的出口的共同接口，即蓄放热接口(C7)，蓄热出口阀的出口接口,即蓄热接口(C9)，放热进口阀的进口接口,即放热接口(C8)；蓄热接口(C9)通过蓄热上升管连接到太阳能吸热器的介质进口,即吸热装置进口(C2)，放热接口(C8)通过放热下降管连接到发电装置的介质出口,即蒸汽发生器出口(C4)，蓄放热接口(C7)通过蓄热低位管连接到蓄放热装置的冷端接口(C6)；蓄放热装置的热端接口(C5)依次通过蓄热高位管和蓄热下降管后连接到太阳能吸热器的介质出口即吸热装置出口(C1)，蓄放热装置的热端接口(C5)依次通过蓄热高位管和放热上升管后连接到发电装置的介质进口即蒸汽发生器进口(C3)。

8.如权利要求7所述的介质驱动装置安装在低于蓄热低位管的位置。

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