CN1963371A - 一种太阳能高温模块化储热系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳能高温模块化储热系统，其特征在于高温储热系统由若干个储热模块[4]并联方式、串联方式或者串联、并联混合方式连接组成。储热容量较小时，可以采用储热模块[4]的并联方式，储热容量较为充分时，采用串联方式。本发明根据太阳能非稳定非连续的充热、储热、放热特点，采用不同容量和数量的储热模块并分别加以控制，以达到合理利用能量及储热系统能恒温输出工质的目的。本发明可以将太阳能高温吸热器[1]提供的热能合理分配到各个储热模块[4]中，通过优化设计使得储热系统输出稳定温度工质的周期延长，并且使得处于不同温度状态下的储热模块中的热量得到有效利用。

Description

一种太阳能高温模块化储热系统

技术领域

本发明涉及一种适用于太阳能高温储热系统，特别涉及太阳能高温模块化储热系统。

背景技术

目前广泛工业应用的储热方式有显热和潜热两种。虽然利用化学能也可进行储热，但由于技术较为复杂，成本高，工业上尚无应用。无论是利用显热储热还是潜热储热，高温储热系统的使用温度范围决定设计方案的选取。在已有的太阳能热发电系统中，有“高温+低温”的双罐硝酸盐高温储热，“导热油+沙石”单罐高温储热等。这些高温储热方式的特点是高温储热系统简单，单罐或者双罐即可完成储能。缺点是其所储热量的可利用温度范围较窄，能量利用率较低。此外，单罐或双罐组成的储能系统在储热罐的最高温度低于热交换器要求的温度下限时，余下的热量将无法使用，造成能量的浪费。例如，在目前的混凝土储热方式中，如果需要混凝土储热体输出传热工质的温度是520℃，那么当混凝土温度低于等于520℃时，该混凝土对加热工质的贡献将是零。这样就导致了混凝土储存的低于520℃的热能无法利用，造成能量和材料的大量浪费。中国专利200510010261.2提出了应用相变储热材料的太阳能季节性蓄热系统，利用相变材料的潜热进行储热。美国专利4262739提出了用于空间化学能发电技术中的储热系统，其中包含有三个储热回路。美国专利4203489公开了一种以空气为传热流体以液体为储热工质的储热系统。日本专利2003240359提出了以液态水为储热工质的地下储热能系统。但以上专利文献中报道的储热系统使用过程均未能按照温度高低级别加以控制，而且其使用温度较低(均低于200℃)。

发明内容

本发明的目的克服现有技术的缺点，提供一种高温模块化储热系统，利用储热温度高低进行分段储热和分段使用，充分利用高温储热系统的热容量，达到延长稳定工作时间的目的。

本发明的模块化储热系统由储热容量相同或者不同的高温(＞200℃)储热模块组成，各储热模块在充热与放热过程中采用不同的连接方式，储热容量较小时，可以采用模块的并联方式，以获得所需的换热流体流量，储热容量较为充分时，采用串联方式，延长稳定输出参数的时间。

储热模块可以是显热储热方式，储热介质可以是耐高温混凝土、沙石和矿渣陶瓷等固体，也可以是潜热储热方式如高温固体相变材料、固液相变材料等。从太阳能高温吸热器出来的充热段高温度传热流体可以是导热油、熔融盐、高压水及饱和或过热水蒸汽等。

储热模块按照温度由高到低的顺序与太阳能吸热器输出的充热段高温流体进行换热：太阳能吸热器输出的充热段高温流体通过阀门的控制，流入储热模块中，经放热过程后，高温流体温度降低，充热段低温度传热流体重新流回太阳能高温吸热器继续吸热，在太阳辐照足够时该过程往复进行，直至各储热模块达到设定温度，此过程循环进行，完成储热模块的充热过程。流经储热模块后的传热流体温度会有所降低，但当其温度仍较高时，可以用于下一储热模块的较低温度的充热，依此控制，直至经换热后传热流体温度低到无法利用，循环回吸热器继续吸热。温度较高的储热模块会率先被充至所需的温度，通过控制阀门，从吸热器流出的高温度传热流体直接流入下一储热模块进行充热，直至完成所有模块的充热。当从太阳能不够充分时，从吸热器流出的高温度传热流体温度会较太阳能充足时有所降低，此时选择其温度与传热流体温度较为接近的储热模块进行充热，做到高温度热量用于加热高温度储热模块，低温度热量用于加热低温度储热模块，实现按温度高低分级充热。

待储热系统中的全部或部分模块获得了需要的能量后，全部或部分关闭充热流道，启动放热循环，放热段低温度传热流体，经泵驱动流入储热模块吸收热量，换热后温度升高，放热段高温度传热流体流经热交换器的热侧，将流过热交换器冷侧的饱和水加热为过热蒸汽，然后送入汽轮机做功或进行其它利用。

储热模块经过放热后温度会降低，变为系统中的“低温模块”，尚未经过换热的储热模块仍然维持比较高的温度，是系统中的“高温模块”。这时“低温模块”用于进入“高温模块”的流体的预热。随着放热时间的延续，作为预热功能的“低温模块”数量会不断增加，用于预热的储热模块数量逐步增加，各预热模块的温度呈阶梯形，形成多储热模块串联加热升温方式，以达到稳定输出和提高系统能量利用效率的目的，克服显热储热、潜热储热方式的材料储热温度下限高、能量浪费大的不足。当由于太阳能不足等原因造成放热过程起始状态某些储热模块温度较低于汽轮机入口蒸汽参数，此时这些储热模块按照温度的高低分级预热饱和水，高温度储热模块用于预热高温度饱和水，低温度储热模块用于预热低温度饱和水。

由于汽轮机需要稳定的蒸汽参数，因此对各个模块放热过程中过热蒸汽温度的测量和模块放热开启顺序的控制是必要的。当从进入汽轮机前的储热模块流出的过热蒸汽温度低于汽轮机入口参数要求、流量满足要求时，开启下一级串联的高温储热模块；若过热蒸汽温度满足要求而流量低于汽轮机入口参数流量要求时，开启下一级并联的高温储热模块；若过热蒸汽温度、流量均不满足汽轮机入口参数要求，同时开启下一级的串联和并联储热模块。

本发明在各个模块内部的温度特征点及换热流道出口设置温度测量点，各测量点的温度输入到数据采集分析和控制主系统。由计算机根据不同模块的本体温度，流体的出口温度和流体的出口温度变化趋势来控制不同模块的放热时间。

参与充热和放热的储热模块可以根据需求采用单一模块模式和多模块模式，并且在充热过程和放热过程中可以采用数量不等的储热模块，储热模块的数量以及过程控制方式需要进行基于热学原理的数学优化。

本发明的优点是对高温储热系统进行模块化设计，充分发挥储热能力，达到长周期稳定输出的目的，且可以根据实际工程目的灵活设计各储热模块的材料和容积等参数。

附图说明

图1本发明具体实施方式单一储热模块充热过程示意图；

图2本发明具体实施方式三个储热模块充热过程示意图；

图3本发明具体实施方式三个储热模块放热过程示意图；

图4本发明具体实施方式三个储热模块串联与并联混合运行放热过程示意图。

图中：

1太阳能吸热器、2充热段高温度传热流体、3三向控制阀门、4储热模块、5充热段低温度传热流体、6泵、7放热段高温度传热流体、8热交换器、9放热段低温度传热流体、10过热蒸汽、11汽轮机、12饱和水。

具体实施方式

图1所示为本发明单一储热模块充热过程。储热模块4采用固体储热材料。开启阀门3，从太阳能吸热器1中流出的充热段高温度换热流体2通过埋于储热模块4中的管道与储热模块4进行换热，经换热后，温度降低了的充热段低温度传热流体5流回太阳能吸热器1继续吸热。在泵6的驱动下该过程循环进行，直至储热模块4被充热至所需温度。

图2所示为本发明具体实施方式三个储热模块充热过程。三个不同容量的储热模块4串联，均采用固体储热材料。开启阀门3，从太阳能吸热器1中流出的充热段高温度传热流体2通过埋于储热模块4中的管道与储热模块4进行换热，经换热后温度降低了的充热段低温度传热流体5流回太阳能吸热器1继续吸热，在泵6的驱动充热过程可以循环进行。当太阳能非常充足时，在充热过程初始阶段，从太阳能吸热器1流出的充热段高温度传热流体2经图2中上部的储热模块4换热后温度有所降低，若其温度在可以利用的范围，则开启图2中中部储热模块4的阀门，放热给中部的储热模块4；若温度降低较多，无利用价值，则关闭图2中的中部和下部的两个储热模块4的控制阀门3，直接由泵6驱动充热段低温度传热流体5流回太阳能吸热器继续吸热。若从图2中部储热模块4流出的传热流体温度也在利用范围，则开启图2中下部储热模块4的控制阀门3，放热给图2中下部的储热模块4。待图2中上部的储热模块4被充至所需温度，则关闭其控制阀门3，从太阳能吸热器流出的高温度传热流体直接流入图2中部的储热模块4，对中部和下部的两个储热模块4进行充热；当中部储热模块4被充至所需温度后，则关闭其控制阀门3，从太阳能吸热器流出的高温度传热流体直接流入图2中下部的储热模块4，直至完成充热。在上述整个充热过程中，图2中的三个储热模块4的储热温度自上而下逐步降低，达到了对传热流体按温度梯级利用的目的。当太阳能不很充分时，可以关闭任何一个阀门，停止某个储热模块4的充热。

本发明具体实施方式三个储热模块放热过程如图3所示：三个不同容量的储热模块4获得了所需能量后，开启储热模块4的控制阀门3，放热段低温度传热流体9经泵6流入储热模块4吸收热量后变为放热段高温度传热流体7，高温度传热流体流入热交换器8的热侧，将流过热交换器8冷侧的饱和水12加热为过热蒸汽10，然后送入汽轮机11做功或进行其它利用。

放热过程初始阶段，从图3中下部的储热模块流入热交换器的放热段传热流体温度很高，经与饱和水换热后产生的过热蒸汽品质能够满足要求，此时关闭图3中其余的两个储热模块放热回路。待经图3下部储热模块温度流出的放热段传热流体不足以将饱和水加热成所需的过热蒸汽时，开启图3中中部的储热模块放热回路，此时图3中下部的储热模块放热回路作为饱和水的预热段，这样可以更为高效的利用图3中中部的储热模块4所存储较高温度的热量，同时也更为充分的利用图3中下部的储热模块4所剩余较低温度的热量。待经图3中部储热模块温度流出的放热段传热流体也不足以将经预热后的饱和水加热成所需的过热蒸汽时，开启图3中上部的储热模块放热回路，此时图3中下部和中部的储热模块放热回路均作为饱和水的预热段。此循环过程中，图3中储热模块的温度自下而上依次升高，饱和水的预热段随着放热时间逐渐加长，使得高温度储热模块的热量用于加热较高温度的饱和水、饱和蒸汽或者过热蒸汽，而经换热后温度降低的储热模块的热量用于预热温度也较低的饱和水，存储的温度较低的热量得到了更为充分的利用，充分发挥高温储热系统的热容量，达到延长稳定工作时间的目的。当有储热模块储热量不充分时，可以按照储热模块存储温度的高低分别用于饱和水的过热和预热过程，通过调节放热过程时间来保证过热蒸汽出口参数。

本发明具体实施方式三个储热模块串联与并联混合运行放热过程如图4所示：三个不同容量的储热模块4获得了所需能量后，开启储热模块4的控制阀门3，放热段低温度传热流体9经泵6流入储热模块4吸收热量后变为放热段高温度传热流体7，高温度传热流体流入热交换器8将饱和水12加热为过热蒸汽10，过热蒸汽10流入汽轮机11，蒸汽做功后变为饱和水12，流回热交换器8，形成放热循环。通过调节图4中上部左侧的储热模块4的阀门，控制从储热模块4流出的传热流体流向。当从图4中上部左侧的储热模块4流出的放热段高温度传热流体流入图4中上部的热交换器8中时，与图4中上部右侧的储热模块4构成并联关系，同时与图4中下部的储热模块4串联，形成储热模块4的串联—并联混合放热模式，并联使用的储热模块4能够提供更大流量的放热段高温度传热流体，经热交换器8换热后获得更大流量的过热蒸汽，适用于单个储热模块的储热容量较小的情况。当从图4中上部左侧的储热模块4流出的放热段高温度传热流体流入图4中中部的热交换器8中时，形成三个储热模块的串联放热模式。

如此，本发明根据储热温度高低进行分段储热和分段使用，可将太阳能高温吸热器[1]提供的热能合理分配到各个储热模块[4]中，使得所存储较高温的热量及温度较低的热量都得到更为高效的利用，延长了储热系统稳定温度输出工质的工作周期，并且使处于不同温度状态下的储热模块中的热量得到有效利用。

Claims (4)

1.一种太阳能高温模块化储热系统，其特征在于储热系统由有若干个储热模块[4]采用并联方式、串联方式或者串联、并联混合方式连接组成。

2.按照权利要求1的高温储热系统的模块化设计方法，其特征在于在各个储热模块[4]内部的温度特征点及换热流道出口设置温度测量点，各测量点的温度输入到数据采集分析和控制主系统，按照实际应用的需要由计算机根据不同模块的本体温度，流体的出口温度和流体的出口温度变化趋势来控制不同储热模块[4]放热的起止时间。

3.按照权利要求1所述的太阳能高温模块化储热系统，其特征在于在充热过程中，系统中的各储热模块[4]按照其温度由高到低的顺序与太阳能吸热器[1]输出的高温流体[2]进行换热，换热后降温后的流体[5]在泵[6]的驱动流回太阳能吸热器[1]继续吸热，在太阳辐照足够时该过程往复进行，直至各储热模块[4]达到设定温度；在放热过程中，低温流体[9]经泵[6]驱动流入储热模块[4]吸热，换热后温度升高后的流体[7]流经换热器[8]的热侧，将流过换热器[8]冷侧的饱和水[12]加热为过热蒸汽[10]，然后可送入汽轮机[11]做功或进行其它利用。

4.按照权利要求1的太阳能高温模块化储热系统，其特征在于其各储热模块[4]采用固体显热储热材料或固体相变潜热储热材料、固液相变潜热储热材料。

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