專利名稱：帶有折流板的斜溫層太陽能儲熱系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能儲熱系統，尤其涉及一種斜溫層太陽能儲熱系統。
背景技術：
太陽能熱利用領域中，尤其是太陽能熱發電領域，由于太陽輻照的強烈的不穩定性，系統的運行也具有強烈的波動性和間歇性。為了克服這一困難，太陽能熱利用系統中一般都帶有儲熱系統。儲熱系統可將白天的太陽輻照轉換為熱量儲存起來，在沒有太陽輻照時再把熱量釋放出來利用。尤其對于太陽能熱發電領域，儲熱系統的引入不僅可以對太陽能“移峰填谷”以延長系統發電時間，而且可以有效地穩定系統運行和提高系統發電效率。目前太陽能熱利用領域中可以選擇的儲熱方式主要包括三種顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學能儲熱。其中顯熱儲熱技術簡單成熟，成本較低，在太陽能熱利用中應用最廣。在太陽能熱發電領域，基于顯熱儲熱的儲熱系統主要有兩種雙罐儲熱系統和單罐儲熱系統。 雙罐儲熱系統中有一個熱罐和一個冷罐，儲熱時冷罐內的儲熱介質(通常為液體介質)吸收熱量后被存儲在熱罐內，放熱時熱罐內的高溫介質把熱量釋放出來后再回到冷罐。雙罐儲熱系統結構簡單，技術成熟，但是由于具有兩個儲熱罐，儲熱介質也相應增加，導致系統儲熱成本較高。單罐儲熱系統只有一個儲熱罐，使用液體介質的單罐儲熱又稱為斜溫層儲熱。單罐內的冷、熱流體通過一個厚度較小但溫度梯度很大的斜溫層(又稱為溫躍層)分隔開來，儲熱時斜溫層上面的熱流體逐漸增加，下面的冷流體逐漸減少，斜溫層向下移動， 放熱時則相反。單罐斜紋層儲熱具有成本較低，儲熱效率較高的優點。美國專利US41M061，記載了一種單罐斜溫層儲熱系統，其特征在于儲熱罐內填充固體顆粒作為固體儲熱介質，換熱流體(在罐內亦作為儲熱流體)上下流經固體顆粒填充層，與固體顆粒做直接熱交換，且系統運行時罐內溫度分布從上往下呈斜溫層特征。但是， 此系統運行時斜溫層厚度所占罐高度的比例較大，而且導熱和局部紊流引起的斜溫層擴張 (即高、低溫流體的混合)很難抑制，導致系統運行效率逐漸下降、系統運行不穩定。為了避免斜溫層儲熱系統運行時冷、熱流體的混合導致的系統效率降低，一些專利設計中引入了主動式或被動式的水平隔板或豎直隔板，比如美國專利US4523629， US4543978, US4643212, US20100301062A1，中國專利 CN201184766Y 等。此類系統運行時隔板隨著冷熱流體的進出而主動或被動的移動，直接將冷、熱流體分隔開來，避免了冷熱流體的直接接觸，儲熱效率較高，但是結構比較復雜，成本較高，而且只能使用液體作為換熱和儲熱介質，不能引入固體儲熱介質，也不適用于使用氣體作為換熱流體和使用固體作為儲熱介質的儲熱系統。
發明內容
本發明的主要目的在于克服上述現有單罐斜溫層儲熱系統的缺點，提供一種結構簡單、成本較低、性能穩定、儲熱和換熱效率較高的單罐斜溫層太陽能儲熱系統。為了實現上述目的，本發明的技術方案是
本發明太陽能儲熱系統在儲熱罐體內布置多個折流板，在儲熱、放熱過程中具有斜溫層特性。本發明包括一個外表面包裹保溫層的儲熱罐，儲熱罐的兩端各裝有一個開口管道，供換熱流體進出儲熱罐。儲熱罐內布置多個平行的折流板，在折流板的作用下，儲熱罐內形成一條或多條蛇形的流道。儲熱系統工作時，換熱流體從儲熱罐的進口進入儲熱罐， 然后沿著折流板形成的蛇形流道按照層流流型流向儲熱罐的另一端，最后從儲熱罐的出口流出，完成儲、放熱過程。所述折流板在儲熱罐內通過多個結構支柱的逐級支撐來安裝固定，并按照多層分布、交錯布置的方式布置。所述的多層分布、交錯布置的折流板布置方式，一方面是為了在儲熱罐內形成供換熱流體流過的蛇形通道，很大程度的增加換熱流體在儲熱罐內的流程， 另一方面是為了將系統工作時可能出現的由于局部擾流引起的高、低溫流體的混合限制在平行的折流板之間，最大程度的降低混合沿著儲熱罐高度方向的擴張。所述帶有折流板的儲熱罐在流體蛇形通道的拐彎處布置有曲面的過渡彎板。所述的拐角處的彎板是為了避免流體在流經彎道直角處出現渦流，從而抑制了拐彎時渦流引起的冷熱流體的混合。所述折流板為使用具有低導熱系數的平板，其導熱系數一般低于lW/m. °C。材料的薄的平板，如陶瓷板、高溫混凝土板、耐高溫高分子材料薄板等。低導熱系數薄板是為了減少折流板兩側的流體經過折流板的熱交換，實現折流板兩側儲熱流體的絕熱。這樣可以避免系統運行時溫度不相等的折流板兩側流體通過折流板的熱混合，保證高溫區的高品質熱量能夠得到最大限度的有效利用，提高了系統的儲熱效率。所述太陽能儲熱系統在儲熱和放熱時具有斜溫層儲、放熱特性，具體表現為隨著放熱的進行，冷流體進入儲熱罐，沿著折流板形成的蛇形流道向出口流動，將儲熱罐內的熱流體逐漸推出儲熱系統，進行放熱。在冷熱流體接觸的部分，由于導熱的存在，使得存在一個從低溫向高溫逐漸過渡的流體區，這個區域可以稱為斜溫層區域；這樣，隨著時間的推進，斜溫層區域逐漸往下游方向移動，低溫流體區不斷增加，高溫流體區不斷減少，熱量隨著高溫流體的排出而得以釋放。儲熱過程則相反。所述帶有折流板的儲熱系統，既可以為純液體儲熱系統，也可以為液體-固體混合儲熱系統，或固體儲熱系統。當系統為純液體儲熱系統時，儲熱介質為換熱流體，可以是水、高溫導熱油、熔融鹽等液體。當系統為液體-固體混合儲熱系統時，流體通道內填充有顆粒狀或多孔材料的固體介質，儲熱介質包括填充的固體介質和換熱流體。換熱流體可以是水、高溫導熱油、熔融鹽等液體，固體儲熱介質可以是沙石、陶瓷、混凝土和金屬材料等。 當系統為固體儲熱系統時，儲熱介質是罐內流體通道中填充的固體顆粒或固體多孔材料， 可以是沙石、陶瓷、混凝土、金屬材料等；換熱流體可以是空氣、水蒸氣等氣體。所述儲熱系統可以為圓柱體，也可以為長方體。當儲熱系統為圓柱形罐體時，折流板為水平、交替布置的圓形平板和圓環形平板。當儲熱系統為長方體形罐體時，折流板為水平或豎直布置的長方形平板。綜上所述，本發明的優點在于1、所述斜溫層儲熱系統帶有低導熱系數的折流板，既可以減少折流板兩側溫度不相等的儲熱介質通過折流板的熱交換，也可以通過折流板的隔絕，將局部擾流引起的高、低溫流體的混合限制在平行的折流板之間，從而最大程度的抑制斜溫層沿著與折流板垂直方向的擴張。這樣，系統運行時能夠穩定的維持較小的斜溫層區域，儲熱效率和運行性能大大提尚。2、所述斜溫層儲熱系統由于帶有折流板，儲熱系統內形成供換熱流體流過的蛇形通道，換熱流體的流程得以大大增加，使得有限長度的斜溫層區域相比換熱流體的流程非常小，在折流板垂直方向上斜溫層所占長度大幅度減少，儲、放熱效率可以得到進一步的大幅度提高。3、上述儲熱系統結構簡單，加工和安裝成本低，且可以使用成本低的固體顆粒或多孔材料作為儲熱介質，儲熱成本較低。4、上述儲熱系統適用溫度范圍廣泛，可以從幾十到上千攝氏度。既可以用在以水為換熱流體的太陽能熱水器等中、低溫太陽能熱利用領域，也可以用在以導熱油、熔鹽、水蒸氣、空氣等為換熱流體的中、高溫太陽能熱發電領域。基于上述優點，本發明涉及的帶有折流板的斜溫層太陽能儲熱系統，在中、低溫太陽能熱利用，以及中、高溫太陽能熱發電領域，具有顯著的應用前景。此外，電站系統中也可以并聯使用兩座或多座本發明涉及的儲熱系統，以滿足更大的儲熱需求。
圖1為本發明實施例1的儲熱系統結構示意圖；圖2為本發明實施例1的儲熱系統折流板形狀和布置方式示意圖；圖3為本發明實施例1的儲熱系統儲熱過程中的流體溫度分布示意圖圖3a為流體沿程溫度分布，圖: 為流體沿罐高方向平均溫度分布；圖4為本發明提供的儲熱系統為長方體形時可以采用的折流板形狀和布置方式示意圖，圖如中每層折流板由一塊長方形折流板組成，圖4b中每層折流板由兩塊長方形折流板組成，圖4c中每層折流板由三塊長方形折流板組成。圖中1包裹隔熱保溫層的罐體、2換熱流體在儲熱時的流動方向、3填充的固體儲熱介質、4上端流體進(出)口管、5折流板、6圓滑過渡面、7結構支柱、8下端流體出(進) 口管、9本發明儲熱系統溫度分布、10不帶折流板的斜溫層儲熱系統溫度分布。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。如圖1所示，本發明實施例1的儲熱系統是罐內水平布置多個折流板的圓柱形塔罐式斜溫層儲熱系統。儲熱罐的罐體1外表面包裹保溫層。儲熱罐的上下兩端分別裝有一個開口管道4和8，供換熱流體進出儲熱罐。儲熱罐內通過多個結構支柱7的逐級支撐和安裝固定，水平布置多個平行的低導熱率的折流板5，在折流板的作用下，儲熱罐內形成兩條并行的蛇形流道2。蛇形通道內填充有固體顆粒或多孔材料3，換熱流體可以經過固體顆粒間的空隙或多孔材料的孔內流動。在折流板5形成的流道拐彎處，布置有圓滑過渡面6，保證流體拐彎時按層流圓滑通過，避免產生渦流。所述的儲熱系統儲熱時，高溫換熱流體從儲熱系統進口管4進入儲熱罐，然后沿著折流板5形成的蛇形通道流動，并通過熱交換將熱量傳遞給流道內的低溫固體儲熱介質 3，高溫流體在釋放熱量后逐漸變成低溫流體，并最終從下端的出口管8排出。儲熱系統放熱時與儲熱過程類似，只是流體流動方向與儲熱時相反，儲熱時的進口管變成放熱時的出口管，儲熱時的出口管變成放熱時的進口管。圖2為本發明實施例1的儲熱系統折流板形狀和布置方式示意圖。可以看出，實施例1的圓柱形儲熱罐內折流板5有兩種一種是外徑稍小于儲熱罐內徑的圓形平板，一種是外徑等于儲熱罐內徑的中間開孔的圓環形平板。兩種折流板交替布置，使得在罐內形成蛇形的通道。為了實現本發明的斜溫層儲熱系統在儲、放熱時具有效率高、性能穩定等特點，本發明主要采用下面三個措施1、通過使用低導熱率的折流板5，既可以實現折流板5兩側的流體互相絕熱，又可以將斜溫層區域限制在折流板5之間，避免了因斜溫層沿著罐高度方向的擴張導致的儲熱效率降低；2、在流道拐彎處設置圓滑過渡面6，避免了因流體在拐彎處出現的局部渦流而引起的高、低溫流體的混合；3、儲熱系統內平行布置的折流板5數量盡可能多，使得換熱流體在罐內的流程得以大大增加，進一步降低了在儲熱罐的高度方向上斜溫層所占高度，提高了儲熱系統的儲熱效率。為了更清楚的說明折流板5引起的流體流程增加能夠提高儲熱系統的儲熱效率， 圖3給出了本發明實施例1的儲熱系統儲熱過程中的流體溫度分布9示意圖，其中圖3a為流體沿程溫度分布，圖北為流體沿罐高方向的平均溫度分布，本發明實施例1的放熱過程與之類似。由圖可以看出，由于換熱流體的流動，以及高溫流體與低溫固體儲熱介質的換熱，換熱流體沿著流動方向可以分為三個區域溫度等于進口熱流體溫度的高溫區、溫度等于出口冷流體溫度的低溫區、以及溫度從高溫向低溫逐漸過渡的斜溫層區。隨著儲熱的進行，斜溫層區持續往下游方向移動，低溫區不斷減少，高溫區不斷增加，熱量被不斷的存儲在儲熱系統中。在本發明實施例1中，由于折流板5的存在，換熱流體的流程L變長，遠大于儲熱罐的高度H，因此，斜溫層區的長度占換熱流體的總流程的比例很小。為了比較，圖3a中也給出了不帶折流板的斜溫層儲熱系統的流體溫度分布10。可以看出，不帶折流板的儲熱系統中，換熱流體的流程即為儲熱罐的高度H，斜溫層區的長度占流體總流程的比例相對較大。當對于本發明涉及的儲熱系統沿罐高方向做溫度平均，給出流體沿罐高方向的平均溫度分布，如圖北所示，可以看出，相對于不帶折流板的儲熱系統，本發明涉及的帶有折流板的儲熱系統的斜溫層區所占的高度大大降低，從而有效的提高了儲熱系統的儲熱效率。圖4為本發明提供的儲熱系統為長方體形時可以采用的折流板形狀和布置方式示意圖，其中圖如中每層折流板由一塊長方形折流板組成，圖4b中每層折流板由兩塊長方形折流板組成，圖4c中每層折流板由三塊長方形折流板組成。通過折流板的交錯布置，圖 ^、4b、k所示的折流板分別形成一條、兩條、和四條并行的蛇形通道。本發明蛇形通道內可以不填充顆粒狀或多孔狀的固體儲熱材料。
權利要求
1.一種帶有折流板的斜溫層太陽能儲熱系統，其特征在于，所述的儲熱系統包括一個外表面包裹保溫層的儲熱罐，儲熱罐內布置多個平行的折流板，儲熱罐的兩端各裝有一個開口通道；在折流板的作用下，儲熱罐內形成一條或多條蛇形通道。
2.根據權利要求1所述的帶有折流板的斜溫層太陽能儲熱系統，其特征在于，所述的折流板在儲熱系統內多層分布、交錯布置，并通過多個結構支柱安裝固定。
3.根據權利要求1所述的帶有折流板的斜溫層太陽能儲熱系統，其特征在于，所述的蛇形通道的拐彎處布置有曲面的過渡彎板。
4.根據權利要求1所述的帶有折流板的斜溫層太陽能儲熱系統，其特征在于，所述的折流板為導熱系數低于lW/m°C的平板。
全文摘要
一種帶有折流板的斜溫層太陽能儲熱系統，包括一個外表面包裹保溫層的儲熱罐，儲熱罐內布置多個平行的低導熱率的薄的折流板，儲熱罐的兩端各裝有一個開口通道。折流板在儲熱罐內多層分布、交錯布置。在折流板的作用下，儲熱罐內形成一條或多條蛇形通道。在通道的拐彎處，布置曲面的過渡彎板。本發明可用于中、高溫太陽能熱發電，以及其它中、低溫太陽能熱利用領域。
文檔編號F24J2/34GK102305480SQ20111019633
公開日2012年1月4日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者徐超, 李鑫, 王志峰, 白鳳武 申請人:中國科學院電工研究所