CN116317697A - 利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，涉及温差能发电技术领域，其包括：太阳能吸热模块、储能模块以及温差能发电模块，太阳能吸热模块设有若干个吸热结构，若干个吸热结构通过流通管相互串联或并联形成吸热单元，其中，所述流通管内流动有吸热工质，所述吸热结构用于聚集太阳能热量以加热流过自身的吸热工质；储能模块吸收来自所述吸热工质传递过来的热量并将热量集中储存起来；温差能发电模块具有发电设备，所述发电设备利用所述储能模块提供热源和环境空冷提供冷源而产生的温差进行发电。本发明利用昼夜温差大的自然环境条件，联合太阳能和温差能的发电优势实现缺陷互补，解决高纬度地区的能源电力供应问题。
Description
技术领域
本发明涉及温差能发电技术领域，具体涉及一种利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统。
背景技术
目前，我国为实现双碳目标，大力发展可再生能源的新型电力系统，其中，太阳能发电面临的最大问题是太阳能的不稳定性和不连续性，常规光伏发电的太阳能电池板的生产存在高污染，新型的光热发电是目前的主流技术，但是存在投资成本高昂、设备结构复杂、建设维护难度高等缺陷；而温差能发电没有大规模应用的主要原因为循环热效率低，保持较高的热、冷源温差难度较大。我国西北高纬度地区，具有很好的太阳日照能源，且昼夜温差较大，具有发展温差能的有利条件。因此，如何结合地区环境条件充分利用太阳能资源，联合太阳能和温差能的发电优势，解决高纬度地区的能源电力的急切需求，解决传统供电系统建设和运维困难的问题，解决能源环境矛盾，促进可再生能源的利用是现在必须要解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其利用昼夜温差大的自然环境条件，联合太阳能和温差能的发电优势实现缺陷互补，解决高纬度地区的能源电力供应问题。
为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：
一种利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其包括：
太阳能吸热模块，其设有若干个吸热结构，若干个所述吸热结构通过流通管相互串联或并联形成吸热单元，其中，所述流通管内流动有吸热工质，所述吸热结构用于聚集太阳能热量以加热流过自身的吸热工质；
储能模块，吸收来自所述吸热工质传递过来的热量并将热量集中储存起来；以及，
温差能发电模块，其具有发电设备，所述发电设备利用所述储能模块提供热源和环境空冷提供冷源而产生的温差进行发电。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述吸热单元和所述储能模块通过所述流通管循环换热，所述流通管设有热泵和截止阀，所述热泵用于将经过充分受热的吸热工质从所述吸热结构中泵入所述储能模块；所述截止阀用于控制离开所述储能模块后的吸热工质进入所述吸热结构的流动速率。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述吸热结构还具有聚热外壳和吸热板，其中，所述吸热板的内部穿设有所述流通管，且所述吸热板的外部设有聚热外壳。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述太阳能吸热模块的热源输入、输出端位于所述储能模块的底部位置，所述温差能发电模块的工质换热输入、输出端位于所述储能模块的顶部位置，所述储能模块内部具有通过外部结构支撑的若干中空结构，其中，所述中空结构沿所述太阳能吸热模块的热源输入、输出端向所述温差能发电模块的工质换热输入、输出端的方向垂直布置，且所述中空结构内放置有热导管，所述热导管与所述中空结构之间的空间充填有蓄热材料，所述热导管内部抽真空并充填有循环气体。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述温差能发电模块包括气液分离器、空冷管、储液罐和工质泵，所述发电设备为透平机，其中，所述透平机的工质出口连接有所述空冷管，所述空冷管的下游依次连接有所述储液罐和所述工质泵，所述工质泵的出口经所述储能模块后连接至所述气液分离器，所述气液分离器的气体出口连接至所述透平机的工质入口，所述气液分离器的液体出口连接至所述空冷管。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述聚热外壳采用聚酯材料制成，所述吸热板具有黑色外壳。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述外部结构的制备材料包括过氧化镁、四氧化三铁、30％水泥和60％的碎石颗粒的组合物。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述蓄热材料包括95％三水醋酸钠、3％二水磷酸氢二钠和2％聚乙烯醇的组合物。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述循环气体包括乙醚或丙酮的任一种或任意组合。
如上所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，进一步的，所述吸热工质包括单一纯工质或非共沸混合工质的任一种。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、本发明的系统在日照充足的白昼，采用结构简单，造价低的吸热结构进行太阳能吸收，利用储能模块将太阳能吸热模块吸收的热量进行存储；在温度低的夜晚，采用温差能发电模块进行温差发电，储能模块持续提供高温热源，利用空冷方式直接提供低温冷源；结合高纬度地区的昼夜温差大的环境条件，充分利用太阳能资源，联合太阳能和温差能的发电优势，解决高纬度地区的能源电力的急切需求，解决传统供电系统建设和运维困难的问题，解决能源环境矛盾。
2、本发电系统通过吸收太阳能热能的储能模块，结合热导管的应用，有利于热能的快速传递，同时通过适宜的储能模块的外部结构、蓄热材料、吸热工质等材料的配比方案，能够很好的存储热量以防止热量流失，并存储足够的热能以满足后续温差能发电系统的运作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。
图1(a)为本发明实施例的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统的系统俯视示意图；图1(b)为本发明实施例的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统的系统正视示意图；
图2(a)为本发明实施例的储能模块的正视图；图2(b)为本发明实施例的储能模块的剖面图；
图3为本发明实施例的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统的吸热结构的结构示意图。
其中：1、吸热结构；1-1、聚热外壳；1-2、吸热板；1-3、流通管；2、热泵；3、截止阀；4、储能模块；4-1、热导管；4-2、中空结构；4-3、外部结构；4-4、吸热工质流通管；4-5、液态工质流通管；5、气液分离器；6、透平机；7、空冷管；8、储液罐；9、工质泵；10、电网。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
实施例：
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，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，可以是两个元件内部的连通。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中的具体含义。
在本发明中，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。
参见图1至图3，本发明提供一种利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其能够利用昼夜温差大的自然环境条件，联合太阳能和温差能的发电优势实现缺陷互补，解决偏远地区的能源电力供应问题，其可以包括：太阳能吸热模块、储能模块4以及温差能发电模块，太阳能吸热模块设有若干个吸热结构1，若干个所述吸热结构1通过流通管1-3相互串联或并联形成吸热单元，其中，所述流通管1-3内流动有吸热工质，所述吸热结构1用于聚集太阳能热量以加热流过自身的吸热工质；储能模块4吸收来自所述吸热工质传递过来的热量并将热量集中储存起来；温差能发电模块具有发电设备，所述发电设备利用所述储能模块4提供热源和环境空冷提供冷源而产生的温差进行发电。具体的，本发明的发电系统运用于高纬度地区，在日照充足的白昼，太阳能吸热模块利用吸热结构1将太阳能进行热量聚集，集中加热流过吸热结构1底部的吸热工质，之后将热量传输到储能模块4，储能模块4将太阳能吸热模块吸收的热量进行存储；在温度低的夜晚，采用温差能发电模块进行温差发电，储能模块4持续提供高温热源，利用空冷方式直接提供低温冷源；结合高纬度地区的昼夜温差大的环境条件，充分利用太阳能资源，联合太阳能和温差能的发电优势，进行发电，以解决高纬度地区的能源电力供应问题。
再次参见图1，图1展示了一种利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其可以包括：太阳能吸热模块、储能模块4以及温差能发电模块。其中，太阳能吸热模块的作用是利用吸热结构1将太阳能进行热量聚集，以集中加热流过吸热结构1底部的吸热工质，之后将热量传输到储能模块4。太阳能吸热模块的主要结构包括吸热单元、热泵2和截止阀3。示例性的，吸热单元为若干个吸热结构1的组合，可以采用多个串联和多列并联的方式进行连接。热泵2用于将经过充分受热的吸热工质从吸热结构1中泵入储能模块4；截止阀3用于控制储能后的吸热工质进入吸热结构1的流动速率。
参见图3，在某些实施例中，吸热结构1可以包括聚热外壳1-1、吸热板1-2和吸热工质的流通管1-3；聚热外壳1-1可采用聚酯材料制备，以保证其具备较高透光性能。吸热板1-2可设计有黑色外壳，使得吸热板1-2具有更好的吸热性能。吸热结构1的内部分布有用于流通吸热工质的流通管1-3，流通管1-3的布设可以按照现有的工艺技术来设计，目的是延长吸热工质的流通时间，让吸热工质能得到充分的热量吸收。
上述实施例中，进一步的，若干吸热结构1的排列和具体的连接方式可根据实际设计确定，保证吸热工质的流动方向是从截止阀3流入吸热结构1，随后从热泵2流出。示例性的，吸热工质可以是二氧化碳等符合可吸收太阳能热量的工质材料。热泵2可以在高温下运作，以运输高温的吸热工质。
参见图2，储能模块4是吸收高温的吸热工质所带入的热量，并将热量集中储存起来的结构，其主要结构包括外部结构4-3、中空结构4-2和热导管4-1。太阳能吸热模块的热源输入、输出端位于储能模块4的底部位置，温差能发电模块的工质换热输入、输出端位于储能模块4的顶部位置，储能模块4内部具有通过外部结构4-3支撑的若干中空结构4-2，其中，中空结构4-2沿太阳能吸热模块的热源输入、输出端向温差能发电模块的工质换热输入、输出端的方向垂直布置，且中空结构4-2内放置有热导管4-1，热导管4-1与中空结构4-2之间的空间充填有蓄热材料，热导管内部抽真空并充填有循环气体。具体的，外部结构4-3作为储能模块4的外部支撑结构，并且具有较高的集热性能，能够很好的存储热量防止热量流失，并达到布设固紧蓄热材料的功能。中空结构4-2是外部结构4-3中用于放置热导管4-1和蓄热材料的空间，为主要的储能区域。热导管4-1是将发热物体的热量迅速传递到冷端的传热元件，为中空的圆柱管，内部抽真空并充填乙醚、丙酮等气体，可在受热的瞬间在腔体内产生局部高压，促使气态流体高速流向放热端，放热后冷凝回液态，藉由重力作用回流至吸热端，并循环运作。
示例性的，外部结构4-3的制备材料可以为过氧化镁、四氧化三铁、30％水泥和60％的碎石颗粒，或者其他能达到储热要求的制备材料配方。中空结构4-2的具体分布方式可以根据热导管4-1的尺寸、蓄热材料的性能、储热模块的储热温度设定、外部结构4-3材料等因素进行具体的需求设计。中空结构4-2内部充填的蓄热材料可以为三水醋酸钠95％、二水磷酸氢二钠3％和聚乙烯醇2％，或者其他能达到蓄热要求的制备材料配方。本实施例中，通过吸收太阳能热能的储能模块4，结合热导管4-1的应用，有利于热能的快速传递，同时通过适宜的储能模块4的外部结构4-3、蓄热材料、吸热工质等材料的配比方案，能够很好的存储热量以防止热量流失，并存储足够的热能以满足后续温差能发电系统的运作。
再次参见图1，温差发电模块的作用是利用昼夜温差大的有利环境条件，储能模块4提供热源，环境空冷提供冷源，并通过温差能发电系统进行发电。温差发电模块的主要结构包括气液分离器5、透平机6、空冷管7、储液罐8以及工质泵9，其中，气液分离器5用于对经过储热模块受热后气化的工质进行气液分离，以确保进入透平机6做功的为纯气态工质，分离出的液态工质通过管道输送至空冷管7。透平机6用于进行发电，高温高压的气态工质以高速送至透平机6，驱动转子转动，输出动力驱动发电机发电，并将发电并入电网10。空冷管7用于对发电后的乏气工质进行冷凝，利用空气自然对流进行冷却。储液罐8用于存储冷凝后的液态工质，并进一步冷却液态工质，以确保输送至工质泵9的为纯液态的工质。工质泵9用于将液态工质泵9送至储能模块4，液态工质在储能模块4中受热气化，输出气态工质进行下一轮循环发电工序。
示例性的，工质可以根据地域环境温差、储能模块4吸热能力、发电量设定等参数进行具体的需求选定，可以为常规的单一纯工质、非共沸混合工质等。空冷管7具体尺寸、管径、间距等设计参数，可以根据环境温度、夜间风向、乏气工质温度及工质液化温度等参数进行具体考量，以确保经过空冷管7可以让乏气工质受冷充分液化。
为了更好地理解本发明，下面通过具体的实施步骤对本发明进行阐述。
首先，在日照充足的白昼，吸热工质进入太阳能吸热模块，并顺着流通管1-3分别进入单个吸热结构1，吸热结构1的聚热外壳1-1将太阳能的热量进行聚集，照射在吸热板1-2上方，吸热工质从流通管1-3的入口进入吸热板1-2内部设置的流通管1-3流通并吸收太阳能，受热后的吸热工质从出口流出，在热泵2的作用下泵入储能模块4。
在储能模块4中，受热后的吸热工质进入位于储能模块4底端的吸热工质流通管4-4，热源输入后热导管4-1将发热物体的热量迅速传递到冷端位置(即储能模块4的顶端位置)，并在储能模块4中空结构4-2的蓄热材料相变储热和外部结构4-3的热能保持的作用下，不断将输送进储能模块4的热量进行存储，直至储能模块4达到热能饱和状态。此外，储能模块4吸热后的吸热工质经由流通管1-3和截止阀3，重新进入吸热结构1中进行下一轮的太阳能热量收集。
通过白昼的太阳能存储后，在温度低的夜晚，进行温差能系统的发电工序，液态工质进入位于储能模块4顶端的液态工质流通管4-5，液态工质受热后气化，储能模块4输出气态工质进入温差发电模块，气态工质进入气液分离器5进行气液分离，后纯气态工质进入透平机6进行发电，分离得到的液态工质和透平机6发电后的乏气工质一同进入空冷管7中，直接用空气进行工质降温，乏气工质冷凝成液态工质进入储液罐8，之后工质泵9将储液罐8中完全冷凝液化的液态工质泵9入储能模块4中，进行下一轮的发电循环。
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。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，包括：
太阳能吸热模块，其设有若干个吸热结构，若干个所述吸热结构通过流通管相互串联或并联形成吸热单元，其中，所述流通管内流动有吸热工质，所述吸热结构用于聚集太阳能热量以加热流过自身的吸热工质；
储能模块，吸收来自所述吸热工质传递过来的热量并将热量集中储存起来；以及，
温差能发电模块，其具有发电设备，所述发电设备利用所述储能模块提供热源和环境空冷提供冷源而产生的温差进行发电。
2.根据权利要求1所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述吸热单元和所述储能模块通过所述流通管循环换热，所述流通管设有热泵和截止阀，所述热泵用于将经过充分受热的吸热工质从所述吸热结构中泵入所述储能模块；所述截止阀用于控制离开所述储能模块后的吸热工质进入所述吸热结构的流动速率。
3.根据权利要求1所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述吸热结构还具有聚热外壳和吸热板，其中，所述吸热板的内部穿设有所述流通管，且所述吸热板的外部设有聚热外壳。
4.根据权利要求1所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述太阳能吸热模块的热源输入、输出端位于所述储能模块的底部位置，所述温差能发电模块的工质换热输入、输出端位于所述储能模块的顶部位置，所述储能模块内部具有通过外部结构支撑的若干中空结构，其中，所述中空结构沿所述太阳能吸热模块的热源输入、输出端向所述温差能发电模块的工质换热输入、输出端的方向垂直布置，且所述中空结构内放置有热导管，所述热导管与所述中空结构之间的空间充填有蓄热材料，所述热导管内部抽真空并充填有循环气体。
5.根据权利要求1所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述温差能发电模块包括气液分离器、空冷管、储液罐和工质泵，所述发电设备为透平机，其中，所述透平机的工质出口连接有所述空冷管，所述空冷管的下游依次连接有所述储液罐和所述工质泵，所述工质泵的出口经所述储能模块后连接至所述气液分离器，所述气液分离器的气体出口连接至所述透平机的工质入口，所述气液分离器的液体出口连接至所述空冷管。
6.根据权利要求3所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述聚热外壳采用聚酯材料制成，所述吸热板具有黑色外壳。
7.根据权利要求4所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述外部结构的制备材料包括过氧化镁、四氧化三铁、30％水泥和60％的碎石颗粒的组合物。
8.根据权利要求4所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述蓄热材料包括95％三水醋酸钠、3％二水磷酸氢二钠和2％聚乙烯醇的组合物。
9.根据权利要求4所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述循环气体包括乙醚或丙酮的任一种或组合物。
10.根据权利要求1所述的利用昼夜温差的相变储能联合太阳能的温差能发电系统，其特征在于，所述吸热工质包括单一纯工质或非共沸混合工质的任一种。
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