專利名稱：一種儲熱裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種儲熱裝置，特別涉及一種太陽能光熱利用系統中的儲熱裝置。
背景技術：
太陽能是比較理想的新能源，但利用上卻存在時效性問題，日照期間所接受的能量超過所需，日落之后卻無法發揮作用。因而如何把日照時多余的能量儲存起來，以用于日落后系統的持續運行，即取有余以補不足，成為實現太陽能熱利用裝置連續運行的關鍵問題。現有的太陽能儲存技術中，有報道或使用過多種儲熱介質。近年有報道在實驗室中獲得以特定材料作基體支撐的復合相變材料(定形相變材料)，用以儲存熱量，但其存在導熱系數低的缺點，而且相變材料在儲熱過程中發生相變，由于體積的變化，容易發生漏露的隱患。另外，工業上也有使用三元鋁合金用以作為儲存材料，其對于儲熱性能(如相變儲熱等參數)有負面作用，儲熱材料本身在工作過程中進行反復的固液相變，雜質元素將會影響其使用性能和使用壽命。目前現有的已經工業化的太陽能熱發電機組多利用無機鹽做儲熱材料，但無機鹽在相變過程中存在過冷和相分離的缺點，影響了儲熱能力，并且其凝固溫度過高，造成夜間為保證其不凝固而進行的保溫循環熱損失較大，一旦系統出現凝固點后處置困難，存在安全隱患；熔鹽系統管路中使用的泵、閥價格昂貴且使用壽命也比較短， 而且無機鹽具有毒性，容易泄漏發生火災，且泄漏會對環境造成的污染。目前國際太陽能光熱利用儲存系統主要有雙罐直接蓄熱、雙罐間接蓄熱及單罐斜溫層蓄熱等類型裝置雙罐直接能源存儲系統(Two-tankDirect Energy Storage System)如圖 1 所示，傳熱介質在太陽能聚光場受熱，同時也直接作為存儲介質儲存在熱罐內。受熱后的熱傳介質受泵驅動，經過蒸汽發生器，而獲得熱蒸汽發電。當太陽能聚光場沒有熱量輸入時，例如夜晚，儲熱罐因白天接受太陽能聚光場熱量的輸入，已儲存一定的熱量，一定時間內仍然可以作用蒸汽發生器，產生蒸汽而發電；經過蒸汽發生器后的傳熱介質冷卻后，流回冷罐； 當太陽能聚光場向熱罐提供熱量時，例如天晴的白天，冷罐內的傳熱介質流經光場受熱后流入熱罐內，完成能量吸收和儲存。該系統結構復雜，所需求的雙熱罐成本較高，且因傳熱介質的溫度上限較低，其儲熱能力也受到限制。雙罐間接能源儲存系統(Two-tankIndirect Energy Storage System)如圖 2 所示，相對冷的熔融鹽在熔融鹽泵的驅動下從冷鹽罐到達換熱器中，與來自太陽能光場的傳熱介質換熱獲得熱量，變成熱的熔融鹽；冷的熔融鹽在熱交換器內流動的方向與太陽能聚光場受熱后的傳熱介質流過的方向相反；受熱后的熱熔融鹽在熔鹽泵的驅動下儲存于熱罐內。當儲熱介質進行發電時，熱熔融鹽從熱罐流出，經過蒸汽發生器，熱熔融鹽變成冷熔融鹽，流入冷罐。相比較雙罐直接儲熱系統，該系統可以儲存更多的熱量；其缺點是仍然需要兩個昂貴的儲熱罐，且需要驅動腐蝕性的高溫熔融鹽，且當凝固后需要對儲熱鹽進行預加熱，使其變成熔融鹽狀態，以便驅動；整體結構復雜，運行成本高。以上兩種方式理論上均可以使大部分儲存熱能獲得高品位利用，最后流出熱罐的儲熱介質也能保持高溫狀態，因此能夠自始至終獲得高溫度的蒸汽，從而具有持續高效的發電效率。單罐斜溫層能量儲存系統(Single-tankThermocline Energy Storage System) 如圖3所示，單罐的上部為高溫介質，底部為相對低溫介質；當儲熱時，底部的低溫介質流入換熱器，與接受了太陽能熱的高溫傳熱介質發生熱交換，獲得與其相近的溫度，之后流入單罐的頂部區域，完成儲熱過程；當放熱時，高溫介質從單罐頂部流出，經過熱交換器，將熱量換給傳熱介質如蒸汽，推動汽輪機發電，高溫介質溫度降低，從熱交換器流入單罐底部， 完成放熱。該儲熱罐具有垂直溫度梯度，可以盡量高品質的進行熱利用，但即使商業化或工業化后，整體成本仍然昂貴，且系統仍然無法避免高溫熔融鹽的腐蝕性和固化后的加熱融化過程。以上描述的是目前國際上使用比較普遍的儲熱系統，為了獲得熱能儲存及高品位利用的目標，均使用了具有流動性，可進行空間位置轉移的儲熱介質，所以現有系統的整體結構均比較復雜，制造及運行成本高昂；另外，上述儲熱介質大多有毒且具有強烈的腐蝕性，存在泄露后容易產生火災、污染環境等問題。
實用新型內容本實用新型是針對現有技術中存在的上述問題，提供了一種低成本、環保、具有良好的自然斜溫層(Thermocline)性質的儲熱裝置，儲熱介質不必具有流動性，所處空間位置基本不動，高低溫區域間不易發生熱傳遞而造成均溫情況，因此裝置結構簡單、運行可靠，而且能高效實現熱能高品位利用，可應用于各種儲熱應用，特別是太陽能熱利用系統。根據本實用新型，提供了一種儲熱裝置，包括儲熱空間、置于所述的儲熱空間內的儲熱介質、傳熱輸入裝置、換熱輸出裝置和位于所述儲熱空間外部的保溫結構，其特征在于，所述儲熱空間由多層串聯的儲熱空間單元和每層儲熱空間單元之間布置的隔熱層組成，所述傳熱輸入裝置和換熱輸出裝置在所述的儲熱空間內對儲熱介質完成熱傳和熱換； 且所述儲熱空間的頂部和底部儲熱空間單元內實施分層控制。所述隔熱層布置于各儲熱空間單元之間，以達到減緩各儲熱空間單元之間由于溫差而發生的熱量傳遞，以保證溫度較高的高品位熱量不會由于儲熱裝置的內部的均溫趨勢而造成溫度品位下降，從而實現有效熱能儲存和利用。在進一步的實施方式中，當儲熱裝置立式布置時，所述隔熱層具有良好的機械支撐作用，具有支撐該層所述隔熱層以上儲熱裝置的重量的能力；所述隔熱層為一定厚度的隔熱材料，例如硅酸鈣板，厚度IOmm 300mm ；所述硅酸鈣板在高溫下導熱效率大約為 0. 07 0. 08W/ (m. k)，具有良好的隔熱性能和隔熱效果，耐壓0. 8MPa,使得多個儲熱空間單元之間具有明顯的溫度梯度和機械支撐穩定性能。優選的，所述儲熱介質為儲熱混凝土、鎂砂、儲熱磚、金屬、巖石、砂；進一步，在所述的各層儲熱介質中放置金屬片、金屬絲等高導熱材料填充，以提高每個單元內的熱傳性能，提高傳熱換熱速度。優選的，所述傳熱輸入裝置包括傳熱輸入管路及傳熱輸入管路內的傳熱介質，所述傳熱輸入管路分布貫穿于所述儲熱空間；進一步，所述傳熱輸入管路上設置翅片。優選的，所述換熱輸出裝置包括換熱輸出管路及換熱輸出管路內的換熱介質，所述換熱輸出管路分布貫穿于所述儲熱空間；進一步，在換熱輸出管路上設置翅片。優選的，所述儲熱空間單元內，所述傳熱輸入管路與換熱輸出管路在儲熱空間內不相互接觸，使輸入和輸出回路通過儲熱介質耦合，例如在太陽能熱利用系統中，當光照條件發生波動時，輸入功率變化帶來的輸入回路熱參數的波動不會直接影響輸出回路熱參數的穩定性，從而保證熱利用裝置工作穩定可靠，同時使得對太陽能采光場的控制變得簡單。優選的，所述傳熱輸入管路與換熱輸出管路貫穿每個儲熱單元及隔熱層；進一步， 傳熱輸入管路的總入口與換熱輸出管路的總出口位于儲熱空間內的高溫儲熱空間單元端， 傳熱輸入管路的總出口與換熱輸出管路的總入口位于儲熱空間內的低溫儲熱空間單元端。在進一步的實施方式中，所述儲熱空間單元由多個串聯儲熱空間單元組成，所述每個儲熱空間單元內布置多個扇形混凝土儲熱塊，每個混凝土儲熱塊內部布置有傳熱和換熱管路，多個的扇形混凝土儲熱塊拼接為環形組成一個儲熱空間單元，這樣每個儲熱塊體積重量不至于太大，方便制造、安裝及檢修。在進一步的實施方式中，所述每個儲熱空間單元中的每個扇形混凝土儲熱塊內的傳熱管路和換熱管路首尾相互連接形成單向貫通的管路。在進一步的實施方式中，所述相鄰的每串儲熱空間單元中的單向貫通的管路相互順序連接形成整體密閉儲熱空間內的貫通管路。在進一步的實施方式中，所述整體密封儲熱空間中的傳熱管路和換熱管路所各自形成的貫通管路可以各自設計為兩條或多條。在進一步的實施方式中，所述多條傳熱管路可以整體并列布置，在相同或接近的位置設計各自獨立的出入口或共用一個出入口。在進一步的實施方式中，所述多條傳熱管路可以局部并列布置，各自在不同的位置設計各自獨立的一個或多個出入口。在進一步的實施方式中，所述多條換熱管路可以整體并列布置，在相同或接近的位置設計各自獨立的出入口或共用一個出入口。在進一步的實施方式中，所述多條換熱管路可以局部并列布置，各自在不同的位置設計各自獨立的一個或多個出入口。在進一步的實施方式中，所述儲熱空間的底部多層儲熱空間單元組成的分層傳熱控制單元，多層儲熱空間單元分別對應布置控制閥，在傳熱過程中采取分層輸入傳熱控制， 即相對上層高溫儲熱空間單元的溫度上升至臨界工作狀態時(傳熱后傳熱介質的輸出溫度仍過高至臨界點)，將此層對應的輸出控制閥關閉，并開啟相鄰下層儲熱空間單元的輸出控制閥，開始該相鄰下層儲熱空間單元的傳熱循環系統，直至該層儲熱空間單元的溫度上升至臨界工作狀態時，再開啟該層之下的傳熱循環系統，以此類推，直至最后開通最底層儲熱空間單元完成整體高溫品位傳熱。從而使傳熱儲存過程中盡量將所獲得的熱能以高溫狀態儲存起來，提高儲存品位。在進一步的實施方式中，所述儲熱空間的頂部多層儲熱空間單元組成的分層換熱控制單元，多層儲熱空間單元分別對應布置控制閥，在換熱過程中采取分層輸出的換熱控制，即相對下層高溫儲熱空間單元的溫度下降至臨界工作狀態(換熱后換熱介質的輸出溫度低至臨界點)時，將此層輸出控制閥關閉，并開啟相鄰上層儲熱空間單元的輸出控制閥， 開始對該相鄰上層儲熱空間單元的換熱循環系統，直至該層儲熱空間單元的溫度下降至臨界工作狀態時，再開啟該層之上的換熱循環系統，以此類推，直至最后開通最頂層儲熱空間單元完成整體高溫品位換熱。從而使換熱利用過程中優先將還可以利用的低品位能量換熱輸出為換熱介質預熱，而只將高溫熱源作為最終換熱使用，實現高品位熱源的最大化利用。在進一步的實施方式中，本儲熱裝置的傳熱系統可分別或同時儲存不同溫度等級的熱量高溫度等級I的傳熱介質(例如來自于塔式太陽能的傳熱介質，溫度550°C )選擇從最接近I溫度等級的稍低溫儲熱單元位置的傳熱輸入管路入口進入，優先將其攜帶的熱量儲存為盡可能高溫度狀態，然后繼續向下一層儲熱空間單元存入低一些溫度的熱量，依此類推，直到到達允許的最低溫度點后從最近處出口流出；與此同時，儲熱裝置進行另一路中溫度等級II的傳熱介質(例如來自槽式太陽能的傳熱介質，溫度350°C)傳入，其傳熱介質選擇從最接近II溫度等級的稍低溫儲熱單元位置的傳熱輸入管路入口進入，優先將其攜帶的熱量儲存為盡可能高溫度狀態，然后繼續向下一層儲熱空間單元存入低一些溫度的熱量，依此類推，直到到達允許的最低溫度點后從最近處出口流出；I、II兩種溫度等級的熱傳介質經過的傳熱輸入管路可以部分重合或各自獨立。此方式可以使本儲存裝置能夠以最優方式同時接收儲存各種來源各種品位的熱量，具有更加廣泛的適用范圍，更加經濟實用。在進一步的實施方式中，本儲熱裝置的換熱系統可分別或同時輸出不同溫度等級的熱量高溫度等級I的換熱介質選擇從最接近I溫度等級的稍高溫儲熱空間單元位置的換熱輸出管路出口流出(例如溫度高于435°c，應用于汽輪機發電)，優先使用盡可能低溫度狀態的熱能進行預熱，待此儲熱空間單元溫度無法滿足輸出溫度條件時，再繼續向上一層儲熱空間單元提取高一些溫度的熱量，依此類推，直到到達所需溫度；與此同時，儲熱裝置進行另一路的中溫度等級II的熱量換出，其換熱熱量傳輸介質也選擇從最接近中溫度等級II的稍高溫儲熱空間單元位置的換熱輸出管路出口流出(例如溫度大約200°C，應用于工業蒸汽)，優先使用盡可能低溫度狀態的熱能，待此儲熱空間單元溫度無法滿足輸出溫度條件時，再繼續向上一儲熱空間單元提取高一些溫度的熱量，依此類推，直到到達所需溫度；I、II兩種溫度等級的換熱介質經過的換熱輸出管路可以部分重合或各自獨立。此方式可以使本儲熱裝置能夠以最優方式同時提供各種品位的熱量輸出，具有更加廣泛的適用范圍，更加經濟實用。優選的，所述保溫結構由具有低的導熱率的材料組成，位于儲熱空間的外部。優選的，所述儲熱裝置的熱能來自太陽能。優選的，所述儲熱裝置作為槽式聚焦太陽能系統的儲熱裝置。優選的，所述儲熱裝置垂直設立于地面以上，在作為塔式聚焦太陽能系統的儲熱裝置的同時，也作為塔式聚焦太陽能系統中接收裝置的支撐物或支撐物的一部分。優選的，所述儲熱裝置中的傳熱裝置內的傳熱介質采用熔融鹽或金屬鈉、鉀等低熔點金屬或合金。優選的，所述儲熱裝置中的換熱裝置內的換熱介質采用水蒸氣。本實用新型的密閉儲熱裝置由于儲熱介質取材于河砂、鎂砂、混凝土，巖石、礦渣、 陶瓷、金屬板等低成本材料并且空間位置基本不發生移動，故本裝置造價低，且性能穩定，具有較好的性價比，完全無污染，尤其適合于大規模推廣太陽能利用所需要的儲熱裝置。
下面參照附圖對本實用新型的具體實施方案進行詳細的說明，附圖中圖1是現有技術的雙罐直接能源存儲系統整體示意圖；圖2是現有技術的雙罐間接能源儲存系統整體示意圖；圖3是現有技術的單罐斜溫層能量儲存系統整體示意圖；圖4是本實用新型的實施例的儲熱裝置整體結構示意圖；圖5是本實用新型的實施例的儲熱裝置受熱過程圖；圖6是本實用新型的實施例的儲熱裝置換熱過程圖；圖7是本實用新型混凝土儲熱介質的第二實施例示意圖；圖8是第二實施例的儲熱空間單元結構示意圖；圖9是第二實施例的儲熱空間整體布置的示意圖；圖10是第三實施例的儲熱空間內傳熱、換熱運行模式示意圖。圖1-3中標記說明101-太陽能聚光場；102-冷油罐；103-熱油罐；[0051]104-蒸汽發生器；105--天然氣；106--過熱蒸汽；[0052]107-渦輪機；108--發電機；109--冷凝器；[0053]110-冷卻塔；201--太陽能聚光場；202-換熱器；[0054]203-熱熔鹽罐；204--熔鹽冷罐；205--太陽能過熱器;[0055]206-鍋爐；207-蒸汽發生器；208--太陽能預熱器;[0056]209-太陽能再熱器；210-排氣器；211-蒸汽渦輪機；[0057]212-冷凝器；213--低壓再熱器；301--太陽能聚光場;[0058]302-換熱器；303-單罐斜溫層儲存罐[0059]305-太陽能過熱器；306-鍋爐；307-蒸汽發生器；[0060]308-太陽能預熱器；309-太陽能再熱器；310-排氣器；311-[0061]蒸汽渦輪機；312-冷凝器；313-低壓再熱器。
具體實施方式
圖4是本實用新型的實施例的儲熱裝置整體結構示意圖。如圖所示，本實施例的儲熱裝置，包括儲熱空間2、及外部保溫結構13 ；所述儲熱空間2由儲熱空間單元15和儲熱空間單元15之間設置的多層隔熱層6組成，所述儲熱空間單元15之間可以縱向串聯而成，整體呈圓柱形，高度與直徑之比，例如1 5 1;所述儲熱空間單元15內部設置有儲熱介質、傳熱輸入裝置4和換熱輸出裝置5，所述傳熱輸入裝置4和換熱輸出裝置5在所述的儲熱空間2內完成熱傳和熱換；每層儲熱空間單元15之間布置有隔熱層6，所述儲熱空間2的頂部和底部多層儲熱空間單元15內分別實施分層的輸出和輸入控制。所述儲熱空間單元15與儲熱空間單元15之間被一定厚度的隔熱層6所隔開，隔熱板，例如硅酸鈣板，厚度IOmm 300mm ；所述硅酸鈣板在高溫下導熱效率大約為0. 07 0. 08ff/(m. k)，具有良好的隔熱性能和隔熱效果，耐壓0. 8MPa，使得多個儲熱空間單元之間具有明顯的溫度梯度和機械支撐穩定性能。多個儲熱空間單元之間具有明顯的溫度梯度， 每相鄰的兩個儲熱空間單元的溫度差大于25°C，多層具有隔熱層6的串聯儲熱空間單元15 良好地保證了高端位置的高端溫度與低端位置的低端溫度所形成的溫度梯度的穩定性，減少軸向溫度擴散趨勢。傳熱輸入裝置4包括傳熱輸入管路9及傳熱輸入管路9內的傳熱介質，傳熱輸入管路9螺旋貫穿于所述儲熱空間2 ；且螺旋行進直徑規律變化，傳熱輸入管路9上設置翅片，以增加其向儲熱介質3的傳熱面積，提高傳熱速度；傳熱介質優選金屬或無機鹽或導熱油或空氣，金屬優選為單質鈉、鉀、鋅、鋁或其合金，無機鹽優選為硝酸鹽、碳酸鹽或氯化鹽等及其混合物。換熱輸出裝置5包括換熱輸出管路10及換熱輸出管路10內的換熱介質，換熱輸出管路10螺旋貫穿于所述儲熱空間2，其螺旋行進直徑規律變化，在換熱輸出管路10 上設置翅片。傳熱輸入管路9螺旋行進直徑與換熱輸出管路10螺旋行進直徑互補，即當熱傳輸入管9螺旋行進直徑逐漸變小時，換熱輸出管路10螺旋行進直徑在所述熱傳輸入管同高度上逐漸變大，反之亦然；如圖所示傳熱輸入管路9與換熱輸出管路10的相互不接觸，使輸入和輸出回路通過儲熱介質耦合，例如在太陽能熱利用系統中，當光照條件發生波動時， 輸入功率變化帶來的輸入回路熱參數的波動不會直接影響輸出回路熱參數的穩定性，從而保證熱利用裝置工作穩定可靠，同時使得對太陽能采光場的控制變得簡單；傳熱輸入管路 9與換熱輸出管路10螺旋貫穿每個儲熱空間單元和每層的隔熱層6 ；傳熱輸入管路9的總入口與換熱輸出管路10的總出口位于儲熱空間2內的高溫儲熱空間單元端，傳熱輸入管路 9的總出口與換熱輸出管路10的總入口位于儲熱空間2內的低溫儲熱空間單元端。太陽能聚光場的接受的熱量連接于本系統的傳熱輸入裝置4，傳熱輸入裝置4的總入口與換熱輸出裝置5的總出口位于儲熱空間2內的高溫的儲熱空間單元15端，即位于儲熱空間2的頂部，以方便傳熱輸入裝置4和換熱輸出裝置5內的高效熱傳導，將太陽能聚光場的熱量換至儲熱裝置內部和從儲熱裝置內部換出熱量。換熱輸出裝置5將高品位的熱量輸送至連接于外部的做功裝置，例如熱機，換熱輸出管路10內布置換熱介質，該換熱介質為水蒸氣或空氣；持續地能獲得高品位的水蒸氣或熱空氣，高溫水蒸氣或熱空氣進入熱機做功，獲得機械動力或發電。傳熱輸入管路9和換熱輸出管路10優選外部布置翅片或設計成螺旋狀，并且翅片間隙或螺旋間距在不同位置可以不同；儲熱空間2的其它空間充滿儲熱介質3，常規儲熱介質3可以使用液態儲熱介質和固態儲熱介質，液態儲熱介質可以為儲熱油或導熱油、熔融鹽，這些在上文中進行了描述，有其不足之處，例如有毒、易泄漏、污染、成本高，或受本身的溫度上限限制，存在單位體積儲存的熱量少等問題，本實用新型優選儲熱介質3為固體儲熱介質，更優化為儲熱混凝土，鎂砂、儲熱磚、金屬、巖石、礦渣和砂等，特質混凝土和鎂砂(MgO，如重燒鎂砂)，熱容高、密度大，故具有很高的體積比熱容，具有很高的儲熱能力，最高儲熱溫度可以達到800°C，且成本較低，易于存儲、操作安全，對環境無任何負面影響，無泄漏問題存在，杜絕了現有的儲熱介質的環保問題，另外，為了彌補混凝土或鎂砂傳導率不太高的缺點，在本實用新型的優選實施例中，還可以沿徑向在各單元內的儲熱混凝土、鎂砂介質中添加金屬片、絲等高導熱材料，以增進儲熱介質的徑向熱傳導能力，同時盡量使各單元間的熱傳導能力低；并且可以在軸向長度上變截面布局，以獲得所需不同溫度段不同的儲熱能力及保溫效果，混凝土或儲熱鎂砂等介質在整個過程中沒有相變，屬于顯熱儲熱，沒有明顯的體積改變，克服了現有大部分儲熱介質相變中可能發生的化學反應，泄漏，污染，有毒等等不足。如圖4所示，為了更清晰說明儲熱空間2的結構，圖中示意出儲熱空間2內的不同位置的儲熱空間單元15，分別為儲熱空間單元15-1、15-2、15-3、15-4、15-5進行描述。圖中所示傳熱輸入管路9內傳熱介質的運行方向與換熱輸出管路10內的換熱介質運行方向相反，傳熱介質從儲熱空間2的儲熱空間單元15-5進入，向儲熱空間2內輸送熱量，完成儲熱過程；換熱介質從儲熱空間2的儲熱空間單元15-1進入，從儲熱空間2內帶走熱量，完成換熱過程。圖5為本實用新型的實施例的儲熱裝置的受熱過程圖，傳熱介質流經螺旋行進直徑規律變化的傳熱輸入管路9，對儲熱裝置加熱，使其升溫。儲熱空間的底部多層儲熱空間單元組成的分層傳熱控制單元，多層儲熱空間單元分別對應布置控制閥，在傳熱過程中采取分層輸入傳熱控制，即相對上層高溫儲熱空間單元的溫度上升至臨界工作狀態時(傳熱后傳熱介質的輸出溫度高至臨界點)，將此層對應的輸出控制閥關閉，并開啟相鄰下層儲熱空間單元的輸出控制閥，開始該層儲熱空間單元的傳熱循環系統，直至該層儲熱空間單元的溫度上升至臨界工作狀態時，再開啟該層之下的傳熱循環系統，以此類推，直至最后開通最底層儲熱空間單元完成整體高溫品位傳熱。該儲熱裝置中，儲熱空間單元15-2和15-1組成分層傳熱控制單元，儲熱空間單元15-2的控制閥默認開啟，而15-1的控制閥默認關閉。具體的整體受熱過程為假設儲熱裝置經過夜間持續放熱后，儲熱空間2內儲熱介質3的溫度全都降至150 250°C左右， 即步驟5-a時，傳熱介質流經儲熱空間2內，從儲熱空間15-5單元開始加熱儲熱介質3，中途經過儲熱空間單元15-4、15-3和15-2，而起始傳熱過程中，儲熱介質不經過儲熱空間單元15-1 ；儲熱介質3經過儲熱空間單元15-2時傳熱介質已經釋放大部分熱量；經過一定時間的傳熱后，即步驟5-b，儲熱空間單元15-5的溫度已經獲得與輸入時刻的傳熱介質溫度相近，此時傳熱介質經過儲熱空間單元15-4釋放一定熱量，傳熱介質溫度有所下降，經過儲熱空間單元15-3時，傳熱介質繼續釋放熱量，其整體溫度持續下降，在儲熱空間單元 15-2仍有一定的熱量釋放，傳熱介質在整個過程中溫度都在下降，而儲熱介質3溫度都在上升；再經過一段時間后，即步驟5-c，儲熱空間單元15-4至儲熱空間單元15-3的空間內的儲熱介質3溫度都基本獲得與傳熱介質輸入時刻的溫度，此時傳熱介質經過儲熱空間單元15-5至儲熱空間單元15-3釋放熱量較小，其主要對儲熱空間單元15-2的儲熱介質3加熱，再經過一定時間后，即步驟5-d，儲熱空間2內的受熱儲熱介質3溫度基本恒定，同時具有很高的溫度例如陽0 650°C ；此時，若太陽能光場仍有大量的熱量傳輸至儲熱裝置時， 開始采取分層輸入傳熱控制，即步驟5-e，將儲熱空間2底層的儲熱空間單元，例如儲熱空間單元15-1，開啟傳熱，即增加一層儲熱空間單元，此時傳熱介質經過儲熱空間單元15-5、 15-4、15-3、15-2時，只有很少的熱量的釋放，達到儲熱空間單元15_1時，熱量大量釋放，儲熱空間單元15-1的儲熱介質3溫度急劇上升，一定時間后，該儲熱空間單元15-1熱量儲熱完成。如果太陽能鏡場仍然有熱量傳輸，使用上述描述的方式采取分層輸入傳熱控制， 再次開啟與儲熱空間單元15-1相鄰的下層儲熱空間單元，完成更多能量的存儲。在受熱的初期，即儲熱量較小時，儲熱空間2內因多層具有層的串聯儲熱空間單元結構，其沿軸向方向會存在明顯的溫度梯度，入口高，出口低，但入口處也可獲得吸收溫度接近的高溫度區域。隨著儲熱量增加，此溫度區域會逐漸擴大，向出口處發展，直至最終儲熱空間2都達到高溫狀態。本實用新型由于采用多層具有隔熱層6的串聯儲熱空間單元15的儲熱空間2設計，熱能在空間軸線方向的傳輸速度很低，無論在儲熱量低或高的狀態下，均能在一定時間保持很明顯的溫度梯度，形成良好的斜溫層效果；而儲熱空間內的儲熱空間單元的傳熱輸入管路9向儲熱介質傳遞熱量相對容易的多，并且為了進一步加速徑向上傳遞熱量，本實用新型在傳熱輸出管路9的徑向上設計翅片或在儲熱介質3內填充金屬片、絲，且可以在儲熱空間2的軸向上設計成變截面，以方便更多的熱量輸入。圖6為本實用新型的實施例的儲熱裝置換熱過程圖，儲熱介質3換熱至儲熱裝置內的螺旋行進直徑規律變化的換熱輸出管路10，將流經于螺旋換熱輸出管路10內的換熱介質加熱升溫。如圖所示，完成全部的儲熱過程后，整個儲熱空間2內的儲熱介質3溫度基本一致，具有很高的溫度品位，例如650°C，儲熱空間2需要將熱量換至換熱介質，高溫的換熱介質將熱量傳送至外部做功裝置，例如熱機，進行做功。所述換熱輸出裝置5置于儲熱空間2上部，結構可設計成螺旋狀或添加翅片結構，且螺旋的間距或翅片的間隙在不同的區域可以設置不同，主要是為了獲得更多的換熱面積，使其最短的時間內完成所需熱量的換出，換熱輸出裝置5內的換熱介質與傳熱輸入裝置4內的傳熱介質行進的方向相反。儲熱空間的頂部多層儲熱空間單元組成的分層換熱控制單元，多層儲熱空間單元分別對應布置控制閥，在換熱過程中采取分層輸出的換熱控制。該儲熱裝置中，儲熱空間單元15-3，15-4和15-5組成分層換熱控制單元，儲熱空間單元15_3的控制閥默認開啟，而 15-4和15-4的控制閥默認關閉。傳熱介質從密閉儲熱空間2的儲熱空間單元15-5入，從儲熱空間單元15-2和15-1出，而換熱介質從密閉儲熱空間2的儲熱空間15-1單元入，從儲熱空間單元15-3的端口出，當儲熱空間單元15-3達到換熱臨界狀態后，采取分層輸出的換熱控制，即儲熱空間單元15-3的溫度下降至臨界工作狀態(換熱后換熱介質的輸出溫度低至臨界點)時，將此層輸出控制閥關閉，并開啟相鄰上層儲熱空間單元15-4的輸出控制閥，開始對該層儲熱空間單元的換熱循環系統，直至該層儲熱空間單元15-4的溫度下降至臨界工作狀態時，再開啟該層之上的換熱循環系統，以此類推，直至最后開通最頂層儲熱空間單元完成整體高溫品位換熱。具體整體的換熱過程為步驟6-a，換熱介質例如水，從儲熱空間單元15-1入，液態傳熱介質例如水吸熱后迅速變成水蒸氣，經過儲熱空間15-2單元，進行過熱加熱，從儲熱空間單元15-3出口處基本獲得與儲熱介質3最高溫度相近的出口溫度，因儲熱介質3 為密閉結構例如高度為100m，換熱介質經過換熱輸出裝置5，在儲熱裝置的儲熱空間單元 15-2之前就獲得過熱為535°C的水蒸氣，而經過后段的儲熱介質3的過程中，因溫度相近， 基本不需來自儲熱空間2的儲熱空間單元15-2和儲熱空間單元15-3的熱量的釋放，儲熱空間單元15-2和儲熱空間單元15-3的儲熱介質3的溫度保持不變；當儲熱空間單元15-1 的溫度下降時，換熱介質例如水/水蒸氣未達到所需的高溫度，因此在繼續前行中繼續吸熱，直到溫度上升至所需最高溫度數值，此時從換熱輸出管路10周邊儲熱介質3中再吸收的熱量很少，在此位置之后的儲熱空間單元15-2和儲熱空間單元15-3的儲熱介質3的溫度基本不下降，整個過程即為儲熱介質3從儲熱空間單元15-1向儲熱空間單元15-2逐漸降溫的過程，但本實用新型設計的儲熱裝置，具有多層隔熱層6和多層串聯儲熱空間單元15的儲熱介質3，例如儲熱混凝土或鎂砂，在軸向方向上溫度傳導能力很低，可在一定的時間內形成軸向上的溫度梯度，即該儲熱空間2在換熱的過程中能形成良好的斜溫層，儲熱空間單元15-3直到換熱最后都能保持溫度高品位，使得換熱介質至始至終都保持高品位的輸出，保持高效率。經過步驟6-b的一段時間的換熱后，儲熱空間單元15-1的儲熱介質3的溫度降低，而儲熱空間單元15-2的溫度也開始降低，但降幅較小，而儲熱空間單元 15-3的溫度一直保持不變，換熱介質從儲熱空間單元15-3離開時，也保持著與儲熱空間單元15-3相近的高溫。再經過步驟6-c的一段時間的換熱后，儲熱空間單元15-1溫度發生了巨大降幅，儲熱空間單元15-2溫度開始有了明顯的降低，而此時儲熱空間單元15-3的溫度仍然保持高溫不變；在換熱的最后階段，儲熱空間單元15-1和儲熱空間單元15-2的溫度都下降的劇烈，而此時儲熱空間單元15-3的溫度仍保持高溫，換熱介質從儲熱空間單元15-1和儲熱空間單元15-2預熱后，進入儲熱空間單元15-3，在儲熱空間單元15_3接受部分的熱量和經過過熱后，從儲熱空間單元15-3端口輸出，此時的溫度仍與儲熱空間單元 15-3輸出端口的溫度相近，直到換熱臨界工作狀態；開始步驟6-d，即采取分層輸出的換熱控制，開啟儲熱空間單元15-4進行換熱，此時換熱介質經過儲熱空間單元15-1、15-2、15-3 進行預熱，獲得部分熱量，經過儲熱空間單元15-4時，完成高品位的熱量換出；當儲熱空間單元15-4處于臨界工作狀態時，開啟新的換熱，即步驟6-e，與上述方式相同開啟儲熱空間單元15-5完成新一輪的高品位的熱量輸出；傳熱介質在整個換熱過程中都保持高品位的熱量輸出，具有高效性。值得重點說明的是，由于采用多層具有隔熱層6的串聯儲熱空間單元組成的儲熱空間2的設計中，熱能在空間軸線方向的傳輸能力較低，無論在儲熱量低或高的狀態下，均能在一定時間保持很明顯的溫度梯度，形成良好的斜溫層效果；而儲熱空間2內儲熱介質3 向換熱輸出管路10傳遞熱量相對容易的多，并且為了進一步加速徑向上換出熱量，本實用新型在換熱輸出管路10的徑向上設計翅片或在儲熱介質3內填充金屬片、金屬絲。圖7是本實用新型混凝土儲熱介質的第二實施例示意圖；本實施例的儲熱裝置， 包括儲熱空間2、置于該儲熱空間2內的儲熱介質3、傳熱輸入裝置4、換熱輸出裝置5及外部保溫結構13 ；所述儲熱空間由多層隔熱層6和串聯儲熱空間單元組成，儲熱空間單元 15內布置儲熱介質混凝土儲熱塊16，如圖所示16-1，16-3為不同的扇形儲熱塊，每個儲熱空間單元包含多個內部布置有傳熱管路9和換熱管路10的扇形混凝土儲熱塊16，該混凝土有多種材料復合凝固而成(原料包含，玄武巖骨料，鋼渣骨料，鋁酸鹽水泥，礦渣粉，硅微粉，凹凸棒等等)，密度可達到2. 8 3. 5g/cm3,抗壓強度40 60MPa，抗折強度8 12MPa， 體積比容100 150kffh/m3,導熱率1. 5 3ff/ (m · k)，耐火溫度900°C。儲熱空間單元15 由多個扇形混凝土儲熱塊16按環形結構擺布而成，各扇形的混凝土儲熱塊的各管路在環形的內環相互連接，分別形成相互獨立且完整貫通的傳熱管路9和換熱管路10 ；環形的儲熱空間單元的兩端布置一定厚度的良好絕熱性能的隔熱層6，例如硅酸鈣板，其導熱率為 0. 07ff/(m · k)，抗壓強度0. 8MPa，具有優良的隔絕溫度性能，以獲得各個儲熱空間單元之間獲得溫度梯度，整個儲熱空間形成良好的斜溫層。圖8是第二實施例的儲熱空間單元結構示意圖；如圖8所示儲熱空間單元包括端面的隔熱層6和中間的混凝土儲熱環塊。混凝土儲熱環塊由多個扇形的混凝土儲熱塊規則布置而成，每個扇形混凝土儲熱塊內部布置螺旋布置的傳熱和換熱管路，扇形小曲率內端頭伸出傳熱管路9與換熱管路10，管路首尾相連，如圖8所示每個扇形混凝土儲熱塊內端設置有4個端頭，兩個輸入端頭(傳熱輸入端頭和換熱輸入端頭)和兩個輸出端頭(傳熱輸出端頭和換熱輸出端頭)，每個相鄰扇形混凝土儲熱塊，例如混凝土儲熱塊16-1與混凝土儲熱塊16-2管路相互首尾相連，分別形成貫穿的傳熱管路和輸出管路，如圖所示，混凝土儲熱塊16-1、16-2、16-3，儲熱塊16_2的傳熱輸出端頭和換熱輸出端頭分別連接至儲熱塊16-1的傳熱輸入端頭和換熱輸入端頭，儲熱塊16-2的傳熱輸入端頭和換熱輸入端頭分別連接至儲熱塊16-3的傳熱輸出端頭和換熱輸出端頭。儲熱空間單元15-1、15_2和15_3之間的管路相互首尾相連連接，分別形成貫穿的傳熱管路和輸出管路(圖8未示出)；每個儲熱空間單元的混凝土儲熱環中有一個扇形儲熱塊的輸入端頭與輸出端頭，連接方法與圖7方式不同，傳熱空間單元15-2的傳熱輸入端頭和換熱輸入端頭連接至傳熱空間單元15-2的傳熱輸出和換熱輸出端頭，傳熱空間單元 15-2的傳熱輸出端頭和換熱輸出端頭連接至傳熱空間單元15-1的傳熱輸入端頭和換熱輸入端頭。所述傳熱輸入裝置4和換熱輸出裝置5在所述的儲熱空間2內完成熱傳和熱換。 所述相臨串聯的儲熱空間單元例如15-1和15-2之間使用一定厚度的隔熱層6隔開，多個儲熱空間單元之間具有明顯的溫度梯度，每相鄰的兩個儲熱空間單元的溫度差大于25°C， 多層具有隔熱層6的串聯儲熱空間單元良好地保證了高端位置的高端溫度與低端位置的低端溫度所形成的溫度梯度的穩定性，減少軸向溫度擴散趨勢。圖9是第二實施例的儲熱空間整體布置的示意圖；本實用新型提供的一種儲熱介質3在儲熱空間2內的無位置的轉移，具有良好的斜溫層的結構，整體具有一定比例的長寬比的儲熱體，例如1 5，為了保證持續輸出的高品位溫度，需要在密閉式儲熱裝置的高端 (即傳熱輸入口或換熱輸出口端)具有良好的換熱能力，而其所需要的熱量總容量不一定需要很大，而且密閉儲熱裝置位于下部的儲熱空間單元和隔熱層6的受到的壓力隨著高度的增加，所受壓力也在增加，如圖所示本實用新型提出一種變直徑的的密閉式儲熱裝置，密閉式儲熱裝置的底部具有較大的直徑例如儲熱空間單元15-1，儲熱空間單元15-1內的儲熱介質，例如儲熱混凝土，耐壓80MPa，隔熱層6，例如硅酸鈣，耐壓0. 8MPa,相同的耐壓強度下，具有更大的受面積時，則結構更加牢固；隨著高度的上升，對應層的儲熱空間單元例如儲熱空間單元15-5和隔熱層6受到的壓力變小，對應密閉式儲熱裝置的直徑變小，整體形成一種高溫端直徑小，低溫度端直徑大，結構穩定，換熱效率高的密閉式儲熱裝置。需要特殊說明的是，上述本實用新型的第二實施例子，可以直接被應用到塔式太陽能光熱發電中，立于地面之上的儲熱裝置，大直徑低溫的儲熱空間單元例如15-1，位于儲熱裝置的底部；高溫的小直徑儲熱空間單元例如15-9，位于儲熱裝置的頂部；而塔式接受器17位于高溫的儲熱空間單元例如15-9之上，用來接收來自定日鏡的會聚太陽光，如此儲熱裝置在提供儲熱功能的同時，可以提供一定的高度支撐能力，會聚太陽光變成熱量后直接從儲熱空間單元15-9進入，進行存儲熱量，將接受的所有熱量存儲于儲熱裝置內；實現儲熱裝置的綜合利用，節約成本，另一方面接收器于儲熱裝置之間緊密聯結，可縮短管路長度，減少熱損失、降低介質循環驅動功率；儲熱裝置中的傳熱和/或換熱裝置內的介質可采用導熱油或熔融鹽或金屬或合金或水蒸氣或空氣等介質，且采取分層輸入的傳熱控制和分層輸出的換熱控制，如圖9所示，傳熱循環系統(圖中虛線所示)包括儲熱空間單元15-1，15-2和15-3組成的分層傳熱控制單元；換熱循環系統(圖中實線所示)包括儲熱空間單元15-7，15-8和15-9組成分層換熱控制單元，每個控制單元中的儲熱空間單元配備一個控制閥，例如儲熱空間單元15-1對應的控制閥為A，儲熱空間單元15-9對應的控制閥為I ’傳熱循環系統中，塔式接受器17接受來自定日鏡18反射的會聚的太陽光能量，通過傳熱介質從儲熱裝置的頂部，即儲熱空間單元15-9開始對儲熱裝置輸送熱量，傳熱介質經過分層傳熱控制單元時開始傳熱分層控制，此時的分層傳熱控制單元中控制閥C開啟，控制閥B和A 閉合；當控制閥C對應的儲熱空間單元15-3到達飽和臨界傳入工作狀態時，閉合控制閥C， 開啟控制閥B，而控制閥A保持閉合；當控制閥B對應的儲熱空間單元15-2到達飽和臨界傳入工作狀態時，閉合控制閥B，開啟控制閥A，而控制閥C保持閉合，直到整個儲熱空間單元都完成儲熱，分層傳熱控制結束。換熱循環系統中，換熱介質從儲熱裝置的底部，即儲熱空間單元15-1開始對儲熱裝置換熱輸出熱量，換熱介質經過分層換熱控制單元時開始換熱分層控制，此時的分層換熱控制單元中控制閥G開啟，控制閥H和I閉合，換熱輸出的熱量經過對外做功裝置19，例如熱機，冷卻循環后，冷卻回到儲熱裝置的底部；當控制閥G對應的儲熱空間單元15-7到達臨界換出工作狀態時，閉合控制閥G，開啟控制閥H，控制閥I保持閉合；當控制閥H對應的儲熱空間單元15-8到達臨界換出工作狀態時，閉合控制閥H，開啟控制閥I，控制閥G保持閉合，直到整個儲熱裝置內的熱量。如此使用分層傳熱和換熱控制系統，以獲得高品位的存儲和釋放熱量，提高熱量的高效利用。圖10是第三實施例的儲熱空間內傳熱、換熱運行模式示意圖；本實施例的儲熱裝置的傳熱系統和換熱系統分別實施不同溫度等級的傳熱控制和換熱控制，不同溫度等級的儲熱空間中的傳熱輸入和換熱輸出可同時進行。多個不同溫度等級的儲熱空間中的傳熱輸入管路或換熱輸出管路可以整體平行布置或局部平行布置，在相同或接近的位置設計各自獨立的出入口或共用一個出入口。如圖所示儲熱空間2由多個溫度等級的儲熱空間組成， 具體由高溫儲熱空間I、中溫儲熱空間II和低溫儲熱空間III組成，每個溫度等級的儲熱空間分別由多個串聯儲熱空間單元15組成；為了描述儲熱裝置內的傳熱、換熱運行模式的控制，下文主要以高溫儲熱空間I和中溫儲熱空間II進行舉例描述，其對應的傳熱介質和換熱介質分別處于高溫度等級I和中溫度等級II。傳熱輸入運行模式為高溫度等級I的傳熱介質(例如來自于塔式太陽能的傳熱介質，溫度550°C )選擇從最接近I溫度等級的稍低溫儲熱單元位置的傳熱輸入管路入口進入，優先將其攜帶的熱量儲存為盡可能高溫度狀態，然后繼續向下一層儲熱空間單元存入低一些溫度的熱量，依此類推，直到到達允許的最低溫度點后從最近處出口流出；與此同時，儲熱裝置進行另一路中溫度等級II的傳熱介質(例如來自槽式太陽能的傳熱介質，溫度350°C )傳入，其傳熱介質選擇從最接近II溫度等級的稍低溫儲熱單元位置的傳熱輸入管路入口進入，優先將其攜帶的熱量儲存為盡可能高溫度狀態，然后繼續向下一層儲熱空間單元存入低一些溫度的熱量，依此類推，直到到達允許的最低溫度點后從最近處出口流出；I、II兩種溫度等級的熱傳介質經過的傳熱輸入管路可以部分重合或各自獨立。此方式可以使本儲存裝置能夠以最優方式同時接收儲存各種來源各種品位的熱量，具有更加廣泛的適用范圍，更加經濟實用。換熱輸出運行模式為高溫度等級I的熱量傳輸換熱介質選擇從最接近I溫度等級的稍高溫儲熱空間單元位置的換熱管路出口流出(溫度高于435°C，應用于汽輪機發電)，優先使用盡可能低溫度狀態的熱能進行預熱，待此儲熱空間單元溫度無法滿足輸出溫度條件時，再繼續向上一層儲熱空間單元提取高一些溫度的熱量，依此類推，直到到達所需溫度；與此同時，儲熱裝置進行另一路的中溫度等級II的熱量換出，其換熱熱量傳輸介質也選擇從最接近中溫度等級II的稍高溫儲熱空間單元位置的換熱管路出口流出(溫度大約200°C，應用于工業蒸汽)，優先使用盡可能低溫度狀態的熱能，待此儲熱空間單元溫度無法滿足輸出溫度條件時，再繼續向上一儲熱空間單元提取高一些溫度的熱量，依此類推， 直到到達所需溫度；I、II兩種溫度等級的換熱介質經過的換熱管路可以部分重合或各自獨立。此方式可以使本儲熱裝置能夠以最優方式同時提供各種品位的熱量輸出，具有更加廣泛的適用范圍，更加經濟實用。 顯而易見，在不偏離本實用新型的真實精神和范圍的前提下，在此描述的本實用新型可以有許多變化。因此，所有對于本領域技術人員來說顯而易見的改變，都應包括在本權利要求書所涵蓋的范圍之內。本實用新型所要求保護的范圍僅由所述的權利要求書進行限定。
權利要求1.一種儲熱裝置，由儲熱空間(2)和設置在所述儲熱空間(2)外的保溫結構(13)組成，其特征在于所述儲熱空間⑵由儲熱空間單元(15)和所述儲熱空間單元(15)與儲熱空間單元(1 之間設置的隔熱層(6)組成，所述儲熱空間單元(1 內部設置有儲熱介質、 傳熱輸入裝置(4)和換熱輸出裝置(5)。
2.根據權利要求1所述的儲熱裝置，其特征在于所述儲熱空間單元(15)是由扇形儲熱塊(16)按環形結構擺布而成。
3.根據權利要求2所述的儲熱裝置，其特征在于所述扇形儲熱塊(16)內端設置有傳熱輸入端頭、傳熱輸出端頭、換熱輸入端頭和換熱輸出端頭。
4.根據權利要求1所述的儲熱裝置，其特征在于所述儲熱空間O)由多層儲熱空間單元(1 縱向串聯而成。
5.根據權利要求1所述的儲熱裝置，其特征在于所述隔熱層(6)的厚度為IOmm 300mmo
6.根據權利要求1所述的儲熱裝置，其特征在于所述傳熱輸入裝置(4)包括貫穿于所述儲熱空間O)的傳熱輸入管路(9)及其傳熱介質。
7.根據權利要求6所述的儲熱裝置，其特征在于所述傳熱介質是金屬、無機鹽或導熱油或空氣。
8.根據權利要求6所述的儲熱裝置，其特征在于所述傳熱輸入管路(9)上設置有翅片。
9.根據權利要求1所述的儲熱裝置，其特征在于所述換熱輸出裝置(5)包括貫穿于所述儲熱空間O)的換熱輸出管路(10)及其換熱介質。
10.根據權利要求9所述的儲熱裝置，其特征在于所述換熱介質可以是空氣、水蒸氣或導熱油。
11.根據權利要求9所述的儲熱裝置，其特征在于所述換熱輸出管路(10)上設置有翅片。
12.根據權利要求6或9所述的儲熱裝置，其特征在于所述傳熱輸入管路(9)或換熱輸出管路(10)為兩條或多條。
13.根據權利要求1所述的儲熱裝置，其特征在于所述儲熱空間( 軸向上設置成變截面。
專利摘要本實用新型公開了一種儲熱裝置，包括儲熱空間、置于所述的儲熱空間內的儲熱介質、傳熱輸入裝置、換熱輸出裝置和位于所述儲熱空間外部的保溫結構，所述儲熱空間由多層串聯的儲熱空間單元和每層儲熱空間單元之間布置的隔熱層組成；所述傳熱輸入裝置和換熱輸出裝置在所述的儲熱空間內完成熱傳和熱換，在儲熱裝置的頂部和底部實施分層輸入輸出控制。本實用新型的儲熱裝置由于取材于混凝土、鎂砂、陶瓷、金屬板等低成本材料，故本裝置造價低，且性能穩定，具有較好的行價比，尤其適合于大規模推廣太陽能利用所需要的儲熱裝置。
文檔編號F28D20/00GK201983675SQ20112001613
公開日2011年9月21日 申請日期2011年1月19日 優先權日2011年1月19日
發明者劉陽 申請人:劉陽