一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統的制作方法

專利名稱:一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱技術與系統，旨在解決太陽能熱發電儲熱系統儲熱密度低、體積大和投資高的問題。白天太陽光照射充足時，控制一次傳熱流體泵和二次傳熱流體泵，使一次傳熱流體將聚集的部分太陽能熱用于加熱發電循環工質進行發電，另一部分熱先加熱二次傳熱流體，實現顯熱儲熱，再經相變儲熱單元實現相變熱存儲；在夜間或無光照時，通過閥門控制一次和二次傳熱流體的流向，將二次傳熱流體和相變儲熱材料儲存的熱量按能級釋放并傳遞給發電循環工質，保證發電持續穩定進行；本實用新型將相變儲熱和流體顯熱儲熱技術結合，實現光熱的梯級存儲利用，熱能利用率高、投資低、系統運行靈活性強，可大規模推廣使用。
【專利說明】
一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及太陽能技術領域、熱能工程和材料技術，具體是一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，可應用于各類太陽能熱發電系統。
【背景技術】
[0002]太陽能規模化利用包括光伏發電和光熱利用，其中光熱利用技術又包括太陽能熱發電技術和非發電的太陽能熱利用技術。本實用新型涉及太陽光熱發電技術，由于太陽輻射的間隙性，太陽能熱發電需要與儲熱技術結合，以實現連續穩定可調的高品質電能的提供。太陽能光熱發電根據集熱方式不同可分為槽式、塔式或碟式，碟式技術的聚光比高，但只適用于小型熱發電系統;槽式技術聚光比較低，適用于中小型熱發電應用;塔式技術的聚光比結于碟式和槽式之間，適用于大型熱發電應用。
[0003]由于儲熱技術在太陽能熱發電中的關鍵作用，過去數十年的研究已經產生一系列相關技術，例如已經有規模化應用的基于導熱油和熔鹽的雙罐顯熱儲熱技術，但這類技術儲熱密度低、體積龐、投資高，而且儲熱介質最高使用溫度往往不能滿足高效率太陽能熱發電電站的要求，因此，近年來針對太陽能熱發電儲熱的技術研究一直是熱點。專利CN201020541167.6提出了一種集熱、儲熱及供熱一體化槽式太陽能中高溫熱利用裝置，槽式聚光鏡采用單軸跟蹤方式，把太陽輻射聚集在儲熱層底部的吸熱面，吸熱面吸收的熱量加熱儲熱層內的儲熱材料，儲熱材料加熱流經供熱管內的熱流體向外供熱；專利CN201010526161.6提出了一種太陽能熱發電系統，采用飽和水/飽和蒸汽進行蓄熱，蓄熱器同時是蒸汽發生器，與傳統的高低溫兩個蓄熱系統相比，蓄熱系統更為簡單，可實現系統全天候運行，達到減少了動力設備啟停次數，延長使用壽命的目的；專利CN201210049150.2公開了一種太陽能熱發電系統及其高溫儲能裝置，通過將導熱介質導流重新分配蜂窩狀儲熱層的溫區分布并貯存熱能，在夜間或太陽光照不足的情況下釋放熱能輸入熱交換裝置產生蒸汽推動發電機發電，實現全天候太陽能熱發電。以上這些專利介紹的技術不能解決儲熱密度低、體積龐大和投資高的問題，也不能滿足未來高溫太陽能熱發電對儲熱介質時用溫度的要求。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型提供一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，以解決目前太陽能熱發電儲熱系統儲熱密度低、體積龐大和投資高等問題。本實用新型所述的基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱技術與系統，包括集熱單元、換熱單元、儲熱單元和發電單元；
[0005]所述集熱單元可以是基于槽式、塔式、碟式或其它集熱技術，包括聚光鏡、集熱裝置以及一次傳熱流體;所述聚光鏡和集熱裝置分別用于聚集太陽能的熱量并將所集聚的熱傳遞給一次傳熱流體;所述一次傳熱流體通過其流動將熱傳遞給換熱單元和儲熱單元；
[0006]所述換熱單元包括三通閥、一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器、一次傳熱流體栗、膨脹罐和一次傳熱流體-發電循環工質換熱器;所述三通閥有2個，分別位于集熱單元的兩端，用于控制一次傳熱流體的分流流向；所述一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器位于集熱單元和儲熱單元之間，用于實現一次傳熱流體和二次傳熱流體的換熱功能;所述一次傳熱流體栗位于集熱單元前端并與三通閥并聯，主要為一次傳熱流體的輸送提供動力;所述膨脹罐位于一次傳熱流體栗和一次傳熱流體-發電循環工質換熱器之間，用于吸收管路中一次傳熱流體因溫度變化而產生的體積膨脹，防止管路出現較大的壓力變化;所述一次傳熱流體-發電循環工質換熱器位于膨脹罐前端，用于實現一次傳熱流體與發電循環工質的換熱功能；
[0007]所述儲熱單元包括二次傳熱流體子單元和復合相變儲熱子單元;所述二次傳熱流體子單元包括高溫二次傳熱流體儲罐、高溫二次傳熱流體栗、兩個二通閥、低溫二次傳熱流體栗和低溫二次傳熱流體儲罐;所述高溫二次傳熱流體儲罐和高溫二次傳熱流體栗位于一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器的前端，分別用于存儲和輸運高溫二次傳熱流體;所述低溫二次傳熱流體栗和低溫二次傳熱流體儲罐位于一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器的后端，用于存儲和輸運低溫二次傳熱流體;所述二通閥有2個，分別與高溫二次傳熱流體栗和低溫二次傳熱流體栗并聯，用于調節二次傳熱流體的流向；所述復合相變儲熱子單元位于一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器的后端，內含定型復合結構相變儲熱材料模塊，用于存儲由一次傳熱流體通過一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器傳給二次傳熱流體的熱，以實現梯級儲熱功能;所述復合結構相變儲熱材料模塊內部包含夾層通道，用于二次傳熱流體在其內部流動，實現換熱功能；
[0008]所述發電單元包括發電循環工質栗和發電裝置;所述發電循環工質栗位于一次傳熱流體-發電循環工質換熱器和發電裝置之間，用于為發電循環工質增壓，提供循環動力；所述發電裝置包括發電工質膨脹機、發電機和控制裝置用于實現發電功能;發電循環工質經一次傳熱流體-循環工質換熱器加熱后汽化過熱，驅動膨脹機并帶動發電機發電，膨脹后的循環工質冷凝后回流至循環工質栗實現循環利用。
[0009]優選的，所述一次傳熱流體為熔融鹽或高溫導熱油;所述熔融鹽包括使用溫度介于100-500°C的硝酸鹽配方，或使用溫度介于350-850°C的碳酸鹽配方;所述高溫導熱油的使用溫度介于100-400 °C。
[0010]優選的，所述二次傳熱流體為熔融鹽，包括使用溫度介于100-500°C的硝酸鹽配方，或溫度介于350-850 V的碳酸鹽配方。
[0011]優選的，所述二次傳熱流體既是傳熱流體，也是顯熱儲熱介質，滿足少部分熱量存儲要求，大部分熱由復合相變儲熱材料存儲。
[0012]優選的，所述復合相變儲熱材料由液-固或固-固相變材料、骨架材料以及導熱增強劑三種組分構成;所述相變材料包括無機相變儲熱材料、定型有機相變儲熱材料或它們的組合，其相變溫度介于100-850°C之間;所述骨架材料包括無機氧化物、金屬材料、有機材料或它們之間的組合，它們與相變材料以物理化學相容，并于導熱增強劑化學相容;所述導熱增強劑的導熱系數高于相變材料和骨架材料，包括無機氧化物、金屬、碳材料或碳化硅。
[0013]優選的，所述復合相變儲熱材料模塊之間的流體通道截面為方形、矩形、圓形、橢圓形、梯形、或它們之間的組合。
[0014]優選的，所述復合相變儲熱材料模塊之間的流體通道可以是直的、彎的、變截面或它們之間的組合。
[0015]優選的，所述復合相變儲熱材料模塊之間或內部可以可包金屬翅片、金屬網或金屬釘，用于進一步強化傳熱。
[0016]優選的，所述發電循環工質包括水和有機工質。
[0017]優選的，所說儲熱過程中一次傳熱流體首先加熱而二次傳熱流體，再加熱復合相變儲熱材料，實現熱的梯級存儲。
[0018]優選的，所說釋熱過程中發電循環工質首先由復合儲熱材料加熱，再由二次傳熱流體過熱，實現熱的梯級釋放。
[0019]本實用新型的有益效果為:在白天太陽光照射充足時，通過控制一次傳熱流體栗和二次傳熱流體栗，使一次傳熱流體將聚集的太陽能熱的一部分用于加熱發電循環工質進行發電，另一部分熱先加熱二次傳熱流體，實現顯熱儲熱，再經過相變儲熱單元實現相變熱存儲;在夜間或無陽光照射時，通過閥門控制一次和二次傳熱流體的流向，將二次傳熱流體和相變儲熱材料儲存的熱量按能級釋放并傳遞給發電循環工質，保證發電的持續穩定進行;本實用新型將相變儲熱和流體顯熱儲熱技術相結合，可實現光熱的梯級存儲和梯級利用，達到提高熱能利用率、降低投資、提高系統運行靈活性的目的，適宜大規模推廣使用。
【附圖說明】

[0020]圖1是為本實用新型具體實施提供的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統的結構示意圖。
[0021]圖中:
[0022]1、集熱單元;2，11、三通閥；3、一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器;4、高溫二次傳熱流體儲罐;5、高溫二次傳熱流體栗;6，8、二通閥；7、低溫二次傳熱流體栗;9、低溫二次傳熱流體儲罐；10、復合相變儲熱子單元；12、一次傳熱流體栗；13、膨脹罐；14、發電循環工質栗;15、一次傳熱流體-發電循環工質換熱器;16、發電裝置
【具體實施方式】
[0023]圖1是本實用新型【具體實施方式】提供的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統的結構示意圖，下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本實用新型的技術方案。
[0024]本實用新型的【具體實施方式】為:在白天太陽光照射充足時，開啟一次傳熱流體栗
(12)、低溫二次傳熱流體栗(7)和二通閥(6)，關閉高溫二次傳熱流體栗(5)和二通閥(8)，調節三通閥(2)和三通閥(11)，使得集熱單元(I)、換熱單元和儲熱單元連通;一次傳熱流體將從集熱單元(I)吸收的熱量傳遞至一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)和一次傳熱流體-發電循環工質換熱器(15);對于儲熱子系統，低溫二次傳熱流體儲罐(9)內的低溫二次傳熱流體通過低溫二次傳熱流體栗(7)與一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)換熱后進行顯熱儲熱，并存儲于高溫二次傳熱流體儲罐(4)中；經過一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)后的一次傳熱流體溫度降低，并將部分熱量傳遞至復合相變儲熱子單元(10)中，實現復合相變儲熱子單元(10)內的儲熱材料的相變儲熱，通過控制三通閥(11)回流至集熱單元(I)，實現循環;對于換熱單元，發電循環工質栗(14)將發電循環工質送入一次傳熱流體-發電循環工質換熱器(15)換熱后汽化和過熱，推動膨脹機，并帶動發電機發電；當夜間或無日照時段，開啟一次傳熱流體栗(12)、高溫二次傳熱流體栗(5)和二通閥(8)，關閉低溫二次傳熱流體栗(7)和二通閥(6)，調節三通閥(2)和三通閥(11)，使得換熱單元和儲熱單元連通;此時一次傳熱流體栗(12)驅動一次傳熱流體先經過復合相變儲熱子單元(10)，提升其溫度;同時高溫二次傳熱流體儲罐(4)內的高溫二次傳熱流體在高溫二次傳熱流體栗(5)的驅動下，通過一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)，加熱一次傳熱流體，進一步提升其溫度，二次傳熱流體在此過程中溫度降低，存儲于低溫而此傳熱流體儲罐(9)中；加熱后的一次傳熱流體通過一次傳熱流體-發電循環工質換熱器(15)將熱量傳遞給發電單元的循環工質，使其汽化和過熱，推動汽輪機發電，實現供電的持續穩定。由于同時使用相變潛熱儲熱和顯熱儲熱，有利于實現熱能的梯級存儲和梯級利用；由于相變儲熱材料高儲熱密度和優良導熱性能，儲熱材料用量可顯著降低；由于熔融鹽量的減少，儲罐容量可大幅度減少。
[0025]以使用聯苯-聯苯醚共熔共沸混合物作為一次傳熱流體、硝酸鈉-硝酸鉀體系作為二次傳熱流體的某50MW槽式太陽能熱發電系統為例，考慮儲熱時間為7.5小時，若只采用熔融鹽進行顯熱儲熱，，則總儲熱量約1300MWh，在槽式發電系統的工作溫度范圍內(292-386°C)，硝酸鈉-硝酸鉀體系的儲熱密度為131.6kJ/kg，熔融鹽的使用量約3.56萬噸，如果按4000元/噸計算，儲熱材料投資約14240萬元;若采用本實用新型所述的基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱技術與裝置，并考慮30%的顯熱儲熱和70%的潛熱儲熱，由于相變儲熱材料的儲熱密度可達240kJ/kg，，則顯熱-潛熱平均儲熱密度為207kJ/kg，總儲熱材料用量可降低30%，儲熱材料成本降低約15%。
[0026]本實用新型是通過實施例進行描述的，本領域技術人員知悉，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，可以對這些特征和實施例進行各種改變或等效替換。另外，在本實用新型的指導下，可以對這些特征和實施例進行修改以適應具體的情況及材料而不脫離本實用新型的精神和范圍。因此，本實用新型不受此處所公開的具體實施例的限制，所有落入本申請的權利要求內的實施例都屬于本實用新型保護的范圍。
【主權項】
1.一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，包括集熱單元(I)、換熱單元、儲熱單元和發電單元，其特征在于:所述集熱單元(I)可以是基于槽式、塔式或碟式集熱技術，包括聚光鏡、集熱裝置以及一次傳熱流體;所述聚光鏡和集熱裝置分別用于聚集太陽能熱和將所集聚的熱傳遞給一次傳熱流體;所述一次傳熱流體通過其流動將熱量傳遞給換熱單元和儲熱單元； 所述換熱單元包括三通閥(2)、一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)、三通閥(11)、一次傳熱流體栗(12)、膨脹罐(13)和一次傳熱流體-發電循環工質換熱器(15);所述三通閥(2)和三通閥(11)分別位于集熱單元(I)的兩端，用于控制一次傳熱流體的分流流向；所述一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)位于集熱單元(I)和儲熱單元之間，用于實現一次傳熱流體和二次傳熱流體之間的換熱功能;所述一次傳熱流體栗(12)位于集熱單元(I)前端并與三通閥(11)并聯，主要為一次傳熱流體的輸送提供動力;所述膨脹罐(13)位于一次傳熱流體栗(12)和一次傳熱流體-發電循環工質換熱器(15)之間，用于吸收管路中一次傳熱流體因溫度變化而產生的體積膨脹，防止管路有大的壓力變化;所述一次傳熱流體-發電循環工質換熱器(15)位于膨脹罐(13)前端，用于實現一次傳熱流體與發電單元(16)中發電循環工質的換熱功能； 所述儲熱單元包括二次傳熱流體子單元和復合相變儲熱子單元(10);所述二次傳熱流體子單元包括高溫二次傳熱流體儲罐(4)、高溫二次傳熱流體栗(5)、二通閥(6)、低溫二次傳熱流體栗(7)、二通閥(8)和低溫二次傳熱流體儲罐(9);所述高溫二次傳熱流體儲罐(4)和高溫二次傳熱流體栗(5)位于一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)的前端，分別用于存儲和輸運高溫二次傳熱流體;所述低溫二次傳熱流體栗(7)和低溫二次傳熱流體儲罐(9)位于一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)的后端，用于存儲和輸運低溫二次傳熱流體；所述二通閥(6)和二通閥(8)分別與高溫二次傳熱流體栗(5)和低溫二次傳熱流體栗(7)并聯，用于調節二次傳熱流體的流向；所述復合相變儲熱子單元(10)位于一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)的后端，內含定型復合結構相變儲熱材料模塊，用于存儲由一次傳熱流體通過一次傳熱流體-二次傳熱流體換熱器(3)傳給二次傳熱流體的熱量，以實現梯級儲熱功能;所述復合結構相變儲熱材料模塊內部包含夾層通道，用于二次傳熱流體在其內部流動，實現換熱功能； 所述發電單元包括發電循環工質栗(14)和發電裝置(16);所述發電循環工質栗(14)位于一次傳熱流體-發電循環工質換熱器(15)和發電裝置(16)之間，用于為發電循環工質增壓，提供循環動力;所述發電裝置(16)包括發電工質膨脹機、發電機和控制裝置用于實現發電功能;所述發電循環工質經一次傳熱流體-循環工質換熱器(15)加熱后汽化并過熱，驅動膨脹機并帶動發電機發電，膨脹后的循環工質冷凝后回流至發電循環工質栗(14)實現循環利用。2.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述一次傳熱流體為熔融鹽或高溫導熱油;所述熔融鹽包括使用溫度介于100-500°C的硝酸鹽配方，或使用溫度介于350-850°C的碳酸鹽配方;所述高溫導熱油的使用溫度介于 100-400 °C。3.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述二次傳熱流體為熔融鹽，包括使用溫度介于100-500°C的硝酸鹽配方，或使用溫度介于350-850 °C的碳酸鹽配方。4.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述二次傳熱流體既是傳熱流體，也是顯熱儲熱介質，滿足一部分熱量存儲要求，大部分熱量由復合相變儲熱材料存儲。5.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述復合相變儲熱材料由液-固或固-固相變材料、骨架材料以及導熱增強劑三種組分構成;所述相變材料包括無機相變儲熱材料、定型有機相變儲熱材料或兩者組合，其相變溫度介于100_85(TC之間；所述骨架材料包括無機氧化物、金屬材料、有機材料或它們之間的組合;所述導熱增強劑的導熱系數高于相變材料和骨架材料，包括無機氧化物、金屬和碳化娃。6.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述復合相變儲熱材料模塊之間的流體通道截面為方形、矩形、圓形、橢圓形、梯形或它們之間的組合。7.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述復合相變儲熱材料模塊之間的流體通道可以是直的、彎的、變截面或它們之間的組合。8.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述復合相變儲熱材料模塊之間或內部包含金屬翅片、金屬網或金屬釘，用于進一步強化傳熱。9.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述發電循環工質包括水和有機工質。10.根據權利要求1所述的一種基于復合相變儲熱材料的太陽能熱發電儲熱系統，其特征在于:所述儲熱過程中一次傳熱流體首先加熱二次傳熱流體，再加熱復合相變儲熱材料，實現熱的梯級存儲;所述釋熱過程中發電循環工質首先由復合儲熱材料加熱，再由二次傳熱流體過熱，實現熱的梯級釋放。
【文檔編號】F24J2/30GK205714614SQ201620323098
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】丁玉峰, 陳久良, 丁玉龍
【申請人】丁玉峰, 陳久良, 丁玉龍