CN212431374U - 一种塔式光热电站用储热装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种塔式光热电站用储热装置，包括：主体，所述主体内设有容置腔；固体蓄热构件，设于所述容置腔；流体进口，设于所述主体，用于向所述容置腔内通入换热流体；供热构件，设于所述容置腔，且所述供热构件内通有供热工质；流体出口，设于所述主体，用于所述换热流体的流出；其中，所述容置腔内的所述换热流体均与所述供热构件和所述固体蓄热构件接触，所述换热流体吸收并存储所述供热工质的热量；所述固体蓄热构件通过所述换热流体传导吸收并存储所述供热工质的热量，或所述换热流体吸收并存储所述固体蓄热构件释放的热量。该装置储热结构稳定可靠，且成本低。

Description

一种塔式光热电站用储热装置

技术领域

本实用新型属于太阳能光热发电技术领域，尤其涉及一种塔式光热电站用储热装置。

背景技术

储热装置是塔式光热电站的核心设备，其在阳光充足时进行蓄热，而在夜间等阳光不足的时间段内放热，以实现电力输出的连续性。因此储热装置的性能决定了电力输出的连续性，所以储热装置需得到重点关注。

目前的储热装置具有多种储热方式，包括熔盐储热、固体储热，但是熔盐储热单位储热成本较固体储热高，而固体储热作为一种相对廉价的储热方式，受到了学术界与工业界的广泛研究及工程性尝试。

但就目前固体储热技术而言，还存在明显的问题：1、换热管与固体直接接触，随着温度上升，由于热膨胀系数的差异性，会造成固体结构破裂；2、固体之间，由于热膨胀，也会进行相互之间的挤压作用，导致结构破坏；3、目前较为常规的是气体与固体进行换热，但换热效率较低。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种塔式光热电站用储热装置，该装置储热结构稳定可靠，且成本低。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

主体，所述主体内设有容置腔；

固体蓄热构件，设于所述容置腔；

流体进口，设于所述主体，用于向所述容置腔内通入换热流体；

供热构件，设于所述容置腔，且所述供热构件内通有供热工质；

流体出口，设于所述主体，用于所述换热流体的流出；

其中，所述容置腔内的所述换热流体均与所述供热构件和所述固体蓄热构件接触，所述换热流体吸收并存储所述供热工质的热量；所述固体蓄热构件通过所述换热流体传导吸收并存储所述供热工质的热量，或所述换热流体吸收并存储所述固体蓄热构件释放的热量。

根据本实用新型一实施例，所述固体蓄热构件包括若干层固体蓄热层，所述供热构件包括若干换热管，相邻所述固体蓄热层之间设有若干所述换热管。

根据本实用新型一实施例，若干层所述固体蓄热层沿竖向层叠设置。

根据本实用新型一实施例，相邻所述固体蓄热层相互接触且配合形成若干容置通道，所述换热管穿设于所述容置通道，所述换热管与所述容置通道之间设置有间隙，所述间隙内充满所述换热流体，所述固体蓄热层设有竖向通道，所述换热流体通过所述竖向通道进入所述容置通道。

根据本实用新型一实施例，每层所述固体蓄热层均包括若干固体蓄热单元，所述固体蓄热单元设有通道槽，相邻层的所述固体蓄热单元的所述通道槽配合形成所述容置通道。

根据本实用新型一实施例，所述流体进口设有多个且分别设于所述主体的顶部和侧面。

根据本实用新型一实施例，所述主体顶部设有垂直进口，所述主体侧面设有若干水平进口。

根据本实用新型一实施例，所述水平进口设于所述换热管与所述固体蓄热层之间且位于所述换热管上方。

根据本实用新型一实施例，所述换热管为波节管。

根据本实用新型一实施例，所述波节管外壁设有若干突刺，所述突刺设于所述波节管的波节与直管段的衔接处。

根据本实用新型一实施例，所述固体蓄热单元为耐火砖或者固体铁基材料组成的混合物，所述固体蓄热单元设有若干通孔以形成所述竖向通道。

根据本实用新型一实施例，相邻所述固体蓄热单元之间设有缓冲材料。

本实用新型由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

(1)本实用新型实施例中设置主体、固体蓄热构件、流体进口、流体出口和供热构件，换热流体吸收经塔式光热电站加热装置加热的供热工质的热量，在阳光充足换热流体从供热工质吸收到足够的热量时，换热流体将部分供热工质的热量传导给固体蓄热构件存储，当阳光不足时，固体蓄热构件反向将热量传导给换热流体，使换热流体始终保持适合的工作温度。通过换热流体与固体蓄热构件的结合实现了热量的稳定和持续供应，保证了连续发电，且固体蓄热构件的设置节约了换热流体的用量，节约了成本。换热流体与供热构件接触换热、换热流体与固体蓄热构件接触换热，使得换热流体成为供热构件和固体蓄热构件的换热中介，供热构件和固体蓄热构件不必直接接触，避免了固体蓄热构件与供热构件直接接触后因热膨胀系数差异造成的固体蓄热构件破裂问题，使整体结构更加稳定可靠。

(2)本实用新型实施例中固体蓄热构件包括若干层固体蓄热层，相邻固体蓄热层之间设有若干换热管，也就是说固体蓄热层和换热管沿竖向依次间隔设置。间隔排布可以保证固体蓄热层的热量被充分利用。且间隔排布，换热流体流动的湍流度会有所提升，扰流加强，有助于对流换热，换热流体储热效率也会相应提升。

(3)本实用新型实施例中固体蓄热层相互接触且配合形成若干容置通道，换热管穿设于容置通道，使得换热流体在容置通道内进行换热，可以增加垂直换热流体流和水平换热流体流的扰动。

(4)本实用新型实施例中流体进口包括垂直进口和水平进口，使得换热流体同时从垂直方向和水平方向进入，使得垂直换热流体流和水平换热流体流交叉于换热管，换热流体流体扰动剧烈、传热强化，使换热流体能够更好的吸收供热工质的热量。

(5)本实用新型实施例中换热管为波节管，波节管有助于提高换热面积；另一方面，周期性凸起设计，有助于横向来流，在波节之间形成涡旋运动，加大流体扰动，强化传热。此外波节管设有突刺，突刺可使换热流体在波节之间形成涡旋运动，加大流体扰动，强化传热。

(6)本实用新型实施例中固体蓄热单元为耐火砖或者固体铁基材料组成的混合物，耐火砖实用且成本低。耐火砖之间设有缓冲材料，防止耐火砖受热膨胀造成相互挤压破裂。且耐火砖还设有竖向通孔以形成竖向通道，且竖向通孔可以削弱高温变形对耐火砖结构的影响；另一方面，竖向通孔的垂直流道，有助于换热流体通行，同时配合水平流向的换热流体，形成了十字交叉流，有助于强化传热。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本实用新型的一种塔式光热电站用储热装置整体示意图；

图2为本实用新型的一种塔式光热电站用储热装置的波节管示意图；

图3为本实用新型的一种塔式光热电站用储热装置的塔式光热电站传换热系统连接示意图；

图4为本实用新型的一种塔式光热电站用储热装置的分液板示意图；

图5为本实用新型的一种塔式光热电站用储热装置局部侧视截面图；

图6为本实用新型的一种塔式光热电站用储热装置的耐火砖俯视图；

图7为本实用新型的一种塔式光热电站用储热装置的耐火砖主视图；

附图标记说明：

1：主体；2：容置腔；3：耐火砖；4：垂直进口；5：波节管；6：流体出口；7：固体蓄热层；8：分配器；9：主管；10：支管；11：喷嘴；12：扩口组件；13：分液板；14：缓存腔；15：加热组件；16：突刺；17：波节；18：直管段；19：缓冲材料；20：熔盐总管；21：中心孔；22：二级围栏孔；23：三级围栏孔；24：供热工质总管；25：发电换热管道；26：塔式光热电站用储热装置；27：水平进口；28：容置通道；29：竖向通孔；30：通道槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

参看图1至4，本实用新型的核心是提供一种塔式光热电站用储热装置，包括主体1、固体蓄热构件、流体进口、供热构件和流体出口6。固体蓄热构件和供热构件均设于主体1的容置腔2内，流体进口用于向容置腔2内通入换热流体，换热流体从流体进口进入主体1内的容置腔2，然后与供热构件和固体蓄热构件接触换热。

本实施例中换热流体为熔盐，通过熔盐与固体蓄热构件的结合实现了热量的稳定和持续供应，保证了连续发电，且固体蓄热构件的设置节约了熔盐的用量，节约了成本。熔盐与供热构件接触换热、熔盐与固体蓄热构件接触换热，使得熔盐成为供热构件和固体蓄热构件的换热中介，供热构件和固体蓄热构件不必直接接触，避免了固体蓄热构件与供热构件直接接触后因热膨胀系数差异造成的固体蓄热构件破裂问题，使整体结构更加稳定可靠。

供热构件内的供热工质从塔式光热电站的加热装置吸取热量，然后经供热构件流经容置腔2，然后将热量传导给熔盐。在阳光充足熔盐从供热工质吸收到足够的热量时，熔盐将部分供热工质的热量传导给固体蓄热构件存储，当阳光不足时，固体蓄热构件反向将热量传导给熔盐，使熔盐温度处于一个相对均衡的数值，提升整体传热效率。最终熔盐从流体出口6流出进入塔式光热电站的发电机组以进行放热发电，且本实施例中供热工质为液态金属。

熔盐为盐类熔化后形成的熔融体，广泛应用于目前的塔式光热电站的储热装置。塔式光热电站的储热过程是在盐类熔化后形成的熔盐的基础上，再将熔盐加热升温，利用其升温的显热进行热能存储。在发电时，利用熔盐温降加热水或蒸汽以发电，整个过程熔盐都是在熔融状态完成的。

主体1为一储热罐，容置腔2设于其内部。主体1上还设有流体进口和流体出口6，流体出口6设于主体1底部，分别用于向容置腔2内通入熔盐和用于熔盐的流出。流体进口设有多个且分别设于主体的顶部和侧面，具体的，包括顶部的一个垂直进口4和侧面的若干个水平进口27。熔盐同时从垂直进口4和水平进口27进入容置腔2。

固体蓄热构件包括若干层固体蓄热层，供热构件包括若干换热管，且换热管中通有供热工质，相邻固体蓄热层之间设有若干换热管，且本实施例中若干层固体蓄热层沿竖向层叠设置，也就是说每层换热管和固体蓄热层沿竖向形成间隔式排布。参看图1，本实施例中共设有六层固体蓄热层7和五层换热管层，最上层和最下层均为固体蓄热层7。供热工质从塔式光热电站的加热装置吸取热量后经换热管与熔盐换热，再循环流回加热装置。

进一步的，参看图5，相邻固体蓄热层相互接触且配合形成若干容置通道28，换热管穿设于容置通道28内，固体蓄热层设有竖向通道，换热流体通过竖向通道进入容置通道28，并充满换热管与容置通道28之间的间隙。且同一水平高度上设有多个容置通道28和换热管。

具体的，每层固体蓄热层均由若干固体蓄热单元组成，本实施例中固体蓄热单元为耐火砖3，在其它实施例中也可以为其它种类的固体蓄热材料，如固体铁基材料组成的混合物，参看图5，每层固体蓄热层7均由若干耐火砖3紧密堆砌而成。

参看图7，耐火砖3设有通道槽30，通道槽30为半圆形的凹槽，相邻层耐火砖的通道槽30配合形成容置通道28，也就是两个半圆形成一整个圆形的通道。可以在每两层固体蓄热层之间形成一层容置通道28，也可以在每三层固体蓄热层两两之间形成两层容置通道28。

参看图6耐火砖3设有若干竖向通孔29以形成竖向通道，竖直通孔一方面作为垂直流道，有助于熔盐通行，另一方面可以保证耐火砖3升温热膨胀后结构的稳定，削弱高温变形对自身结构的影响，即可以往竖向通孔29进行膨胀，以防止对周边造成挤压以造成胀裂。因此本实施例中耐火砖3是竖直通孔设置而非采用安置直插管的形式。

水平进口27设于换热管与固体蓄热层之间且位于容置通道28，且水平进口27设于换热管的上方，也就是在容置通道28的上方。每个容置通道28对应设有一个水平进口27，也就是说同一水平高度的相邻固体蓄热层7之间有设置多个水平进口27。

各个水平进口27还设有喷嘴11，喷嘴11可提高熔盐进入容置通道28的流速，使熔盐流体扰动剧烈以强化传热。

熔盐同时从垂直进口4和水平进口27进入容置通道28，使得从垂直进口4进入的熔盐通过竖向通道进入容置通道28，形成垂直熔盐流，从水平进口27进入容置通道28的熔盐形成水平熔盐流，垂直熔盐流和水平熔盐流交叉于换热管，熔盐流体扰动剧烈、传热强化，使熔盐能够更好的吸收供热工质的热量。

本实施例中，换热管为波节管5，波节管5水平设于容置通道28中，波节管5包括圆弧形的波节17和直管段18，有助于提高换热面积，使熔盐吸热效率提高。且水平熔盐流配合波节管5周期性凸起的波节17，有助于在波节17之间形成涡旋运动，加大流体扰动，以强化传热。

进一步的实施例中，参看图2，波节管5外壁设有若干锥形突刺16，突刺16设于波节管5的波节17与直管段18的衔接处，突刺16的高度小于等于二分之一波节17最大直径处与直管段18的半径差。突刺16可使熔盐在波节17之间形成涡旋运动，加大流体扰动，强化传热。此外突刺16还可增加波节管5外表面的换热面积。

突刺16的作用原理：熔盐垂直方向为重力引导的自然流动，而水平流向的熔盐受到喷管的影响，其流速较大，造成熔盐在相邻固体蓄热层7与换热层之间的熔盐流动以横向流为主导，那么造成在波节17与直管段18衔接处会形成后台阶流形式(即衔接处会有涡旋形成，造成熔盐流体的滞留)，而突刺16的存在，可以打破后台阶流形成的涡旋流滞留区，形成全扰动，强化对流换热。

参看图2，突刺16的高度为h，二分之一波节17最大直径处与直管段18的半径差为H。且较优的，波节17长度B大于波节17间长度A，此设置保证了波节管5充足的外表面换热面积。

进一步的实施例中，各个相邻耐火砖3之间设有缓冲材料19，可以采用石墨烯、铝箔等材料，可以保证耐火砖3之间的结构稳定性。由于耐火砖3在高温条件下，热膨胀系数较大，会产生较大的变形，因此为保证其结构稳定性，各耐火砖3之间采用缓冲材料19，耐火砖3发生变形时，缓冲材料19会进行相应的收缩。此外，缓冲材料19的比热容与导热性良好，有助于耐火砖3的储/换热。另外，耐火砖3的竖向通孔29配合横向的容置通道28，使从竖向通孔29流下的熔盐和从水平进口27流入容置通道28的水平流向的熔盐形成了十字交叉流，有助于强化传热。也就是说耐火砖3与波节管5之间可形成强烈的流体扰动，使得熔盐能够吸收较多的波节管5内供热工质的热量。

本实施例中，耐火砖3与波节管5不直接接触，两者之间的中介为熔盐，可以实现充/放热同步进行，实现连续运行，且这样布局的好处在于：避免了耐火砖3与波节管5直接接触后因热膨胀系数差异造成的耐火砖3破裂问题。且间隔式排布方式使耐火砖3充分与熔盐接触，保证耐火砖3的热量被充分利用，也可实现各个耐火砖3温度的均匀性。

再者，波节管5为多列横穿主体1，保证了波节管5之间的独立性，避免了单一波节管5故障对整个装置造成影响。

其次，波节管5与固体蓄热层间隔排布使熔盐流动的湍流度会有所提升，熔盐在容置腔2进行循环流动，保证了容置腔2内的熔盐流体湍流形态，使扰流加强，有助于对流换热，熔盐储热效率也会相应提升。因为如果耐火砖3全部设在底部、波节管5设在上部，其上部的耐火砖3首先与熔盐接触热量会首先被利用，而远离熔盐区域的耐火砖3需要通过热传导将热量往熔盐部分输运，热损较大且传热效率较低，且耐火砖3储热时，初始储热温度相对不均匀，上部的耐火砖3往往温度较高而底部区域温度较低，受到不同热应力冲击会造成固体结构不稳定。因而采用间隔式排布则可有效避免上述问题。

还包括一个分配器8，分配器8为普通的流体流量分配器8，具有多个出口，且可分配各个出口的流量。分配器8连接熔盐总管20，且分配器8分别通过一个主管9和若干支管10与垂直进口4和各个水平进口27连通，熔盐进入分配器8后经其流量调控分别进入垂直进口4和各个水平进口27。支管10较细也可加速熔盐的水平流速。

进一步的实施例中，包括一中空的扩口组件12，扩口组件12下端开口大于其上端开口，也就是说扩口组件12从上至下开口依次扩大，垂直进口4与扩口组件12的上端连通。扩口组件12上小下大的形式，使得可以对熔盐进入容置腔2时可以进行降压处理，既可削弱熔盐在主管9内因流体压力过高造成对容置腔2内结构的冲击，也可以保证熔盐可以相对均匀散布的流向下层。

还包括一设于容置腔2顶部的分液板13，分液板13设有若干分液孔，熔盐从扩口组件12流下来后再经过分液板13流下。分液板13对垂直进入的熔盐进行一定的阻挡作用，减弱其冲击力，从而对容置腔2内结构起到一定的结构保护作用；此外，分液板13上设置多个分液孔，使可以相对均匀的将熔盐垂直布撒入下层结构中。

具体的，分液板13四周为上扬倾斜结构，也就是说分液板13四周高中间低，这就有利于熔盐向分液板13中心集中，不会造成熔盐四溢。分液孔包括中心孔21、绕中心孔21圆周均布的若干二级围栏孔22和绕中心孔21圆周均布的若干三级围栏孔23。从中心孔21到各级围栏孔，由内而外，孔径按照1.05至1.1的比例增大。上述圆孔与孔径的设置方式，有利于熔盐下流到达分液板13后，保持通过各孔下流的熔盐流量一致。这是因为，熔盐流速从中心向四周逐步减小，当孔径增大，流动截面增大，从而单位时间通过各孔的流量保持相对均衡。

主体1底部还设有与容置腔2连通的缓存腔14，缓存腔14设有加热组件15，流体出口6设于缓存腔14的腔壁且熔盐经缓存腔14流出，当熔盐温度低于阀值时加热组件15开启，以加热熔盐。缓存腔14可以对熔盐进行缓存，当熔盐温度无法达到预设阀值温度时，为维持系统的连续运行，适时通过加热组件15进行辅助加热。

下面对本实用新型工作过程作进一步说明：

首先供热工质从塔式光热电站的加热装置中吸收太阳能，吸热完成的供热工质经供热工质总管24进入波节管5，以进入本实施例的储热装置。

同时熔盐从熔盐总管20进入分配器8，经主管9和支管10进入垂直进口4和各个水平进口27，再进入所述容置腔2内并充满容置腔2，波节管5和耐火砖3完全浸泡于熔盐中。

熔盐与波节管5接触以吸收供热工质的热量；熔盐与耐火砖3接触，当熔盐从供热工质吸收到充足的热量时，熔盐将供热工质的热量传导给耐火砖3存储，当熔盐从供热工质吸收不到充足的热量导致其温度过低时，耐火砖3反向将热量传导给熔盐。换热完成的供热工质重新流回塔式光热电站的加热装置。

熔盐经与波节管5和耐火砖3换热后流经缓冲腔，并从流体出口6流向发电换热管道25，与后续的发电机组的熔盐换热器进行换热。

综上，本实施例的塔式光热电站用储热装置26，通过熔盐与耐火砖3同时储热的模式，且熔盐又为发电机组的换热介质，保持了运行的连续性，且可以沿用第二代塔式光热电站的换热-发电系统，减少系统改造成本。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式。即使对本实用新型作出各种变化，倘若这些变化属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本实用新型的保护范围之中。

Claims (12)

1.一种塔式光热电站用储热装置，其特征在于，包括：

主体，所述主体内设有容置腔；

固体蓄热构件，设于所述容置腔；

流体进口，设于所述主体，用于向所述容置腔内通入换热流体；

供热构件，设于所述容置腔，且所述供热构件内通有供热工质；

流体出口，设于所述主体，用于所述换热流体的流出；

其中，所述容置腔内的所述换热流体均与所述供热构件和所述固体蓄热构件接触，所述换热流体吸收并存储所述供热工质的热量；所述固体蓄热构件通过所述换热流体传导吸收并存储所述供热工质的热量，或所述换热流体吸收并存储所述固体蓄热构件释放的热量。

2.根据权利要求1所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，所述固体蓄热构件包括若干层固体蓄热层，所述供热构件包括若干换热管，相邻所述固体蓄热层之间设有若干所述换热管。

3.根据权利要求2所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，若干层所述固体蓄热层沿竖向层叠设置。

4.根据权利要求3所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，相邻所述固体蓄热层相互接触且配合形成若干容置通道，所述换热管穿设于所述容置通道，所述换热管与所述容置通道之间设置有间隙，所述间隙内充满所述换热流体，所述固体蓄热层设有竖向通道，所述换热流体通过所述竖向通道进入所述容置通道。

5.根据权利要求4所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，每层所述固体蓄热层均包括若干固体蓄热单元，所述固体蓄热单元设有通道槽，相邻层的所述固体蓄热单元的所述通道槽配合形成所述容置通道。

6.根据权利要求2所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，所述流体进口设有多个且分别设于所述主体的顶部和侧面。

7.根据权利要求6所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，所述主体顶部设有垂直进口，所述主体侧面设有若干水平进口。

8.根据权利要求7所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，所述水平进口设于所述换热管与所述固体蓄热层之间且位于所述换热管上方。

9.根据权利要求2所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，所述换热管为波节管。

10.根据权利要求9所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，所述波节管外壁设有若干突刺，所述突刺设于所述波节管的波节与直管段的衔接处。

11.根据权利要求5所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，所述固体蓄热单元为耐火砖或者固体铁基材料组成的混合物，所述固体蓄热单元设有若干通孔以形成所述竖向通道。

12.根据权利要求5所述的塔式光热电站用储热装置，其特征在于，相邻所述固体蓄热单元之间设有缓冲材料。

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