專利名稱：一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能領(lǐng)域的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置。
背景技術(shù)：
隨著太陽能等可再生能源利用在全世界蓬勃發(fā)展，太陽能聚熱發(fā)電(CSP)逐步為人們所認識和重視，在CSP體系中，吸熱傳熱、儲熱和換熱部分具有非常重要的地位。太陽能的集熱管技術(shù)的換熱介質(zhì)，目前主要采用導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)，經(jīng)導(dǎo)熱油換熱后驅(qū)動常規(guī)蒸汽輪機帶動發(fā)電機組發(fā)電。由于目前的導(dǎo)熱油工作溫度必須控制在400°C以內(nèi)，超出這一溫度將會導(dǎo)致導(dǎo)熱油裂解等問題，因此限制了太陽能聚熱發(fā)電的工作溫度。 目前國際太陽能集熱技術(shù)的換熱介質(zhì)的替代品有熔融鹽類材料，雖然其抗分解溫度較高(一般超過500度)，但其結(jié)晶點較高，大多在230至260°C左右，運行管理要求很高，同時夜間管路保溫循環(huán)散熱損失很大。當前熔融鹽也主要用于熱儲能，采用冷熱罐轉(zhuǎn)換或單罐斜溫層方式存取熱量，對管路、泵閥要求很嚴，成本較高。用水直接作為換熱介質(zhì)的直接蒸汽發(fā)生(DSG)技術(shù)已經(jīng)試驗多年，該技術(shù)與蒸汽鍋爐受熱管道運行原理相似，以水為工質(zhì)，將低溫水自吸熱管路一端注入，水在沿管路軸向行進過程中吸熱逐漸升溫，達到沸點后變?yōu)轱柡驼羝?，再繼續(xù)吸熱變?yōu)檫^熱蒸汽。由于水在受熱管內(nèi)發(fā)生沸騰時狀態(tài)不穩(wěn)定，存在兩相流傳輸和汽化壓力在集熱管內(nèi)不均勻等問題，發(fā)生例如水錘、振動、管路材料疲勞破壞現(xiàn)象?，F(xiàn)有的太陽能儲存技術(shù)中，有報道或使用過多種儲熱介質(zhì)。近年有報道在實驗室中獲得以特定材料作基體支撐的復(fù)合相變材料(定形相變材料)，用以儲存熱量，但其存在導(dǎo)熱系數(shù)低的缺點，而且相變材料在儲熱過程中發(fā)生相變，由于體積的變化，容易發(fā)生泄露的隱患。固態(tài)儲熱方案有混凝土、鵝卵石儲熱等，在混凝土內(nèi)部澆灌換熱管路，成本較高，并且換熱系數(shù)很低等等；砂石儲熱，雖然價格便宜，但導(dǎo)熱率低，換熱困難，不能定型自支撐，影響使用；且已有固體儲熱方案是將換熱管道布置于固體儲熱材料內(nèi)部，通過管道或翅片表面和儲熱材料表面的固體與固體間熱傳導(dǎo)完成熱量傳遞，由于固體之間的接觸多為不完全接觸，且固體儲熱材料本身導(dǎo)熱性能不良，再者固體之間的傳熱面積有限，導(dǎo)致總體導(dǎo)熱效率低下，從而很難滿足儲存熱量的輸入功率要求，更多情況為傳熱介質(zhì)的熱量未完全釋放于固體儲熱系統(tǒng)之前，就已經(jīng)從固體儲熱系統(tǒng)流出，無法按所需功率圓滿地完成向固體儲熱系統(tǒng)儲熱的功能。用水直接作為換熱介質(zhì)的直接蒸汽發(fā)生(DSG)技術(shù)已經(jīng)試驗多年，由于水在受熱管內(nèi)發(fā)生沸騰時狀態(tài)不穩(wěn)定，存在兩相流傳輸和汽化壓力在集熱管內(nèi)不均勻等問題，發(fā)生例如水錘、振動、管路材料疲勞破壞現(xiàn)象；工業(yè)上使用導(dǎo)熱油、熔鹽技術(shù)儲熱亦有自身的缺點；而普通的固體儲熱方案亦有導(dǎo)熱能力差等等缺陷，仍停留在試驗階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種可應(yīng)用于多領(lǐng)域的吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，同時具備吸熱、儲熱及換熱功能，特別適合應(yīng)用于太陽能熱利用系統(tǒng)中。本發(fā)明提供一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置；主要包括罐體(I)、罐體(I)上的吸熱結(jié)構(gòu)(2 )、罐體(I)外部的保溫結(jié)構(gòu)(3 )、罐體(I)內(nèi)部的儲熱介質(zhì)及儲熱介質(zhì)中布置的換熱結(jié)構(gòu)(4);所述罐體(I)位于太陽能聚光系統(tǒng)的焦線或焦點附近位置，所述吸熱結(jié)構(gòu)(2)直接布置于全部或部分罐體表面，將接收的太陽光轉(zhuǎn)化成熱量后傳遞至罐體內(nèi)部的儲熱介質(zhì)；所述換熱結(jié)構(gòu)(4)通過流經(jīng)內(nèi)部的換熱介質(zhì)對一體化裝置內(nèi)部的熱量進行傳輸調(diào)節(jié)。進一步地，所述吸熱結(jié)構(gòu)為高吸收率、低發(fā)射率涂層，將接收的太陽光轉(zhuǎn)化成熱量，同時減少向外部的熱量的輻射。進一步地，所述吸熱結(jié)構(gòu)為空腔吸熱結(jié)構(gòu)，且空腔內(nèi)部受光面具有高吸收率低發(fā)射率吸熱涂層。進一步地，所述吸熱結(jié)構(gòu)的外部布置有輔助聚光器，將附近未能直接入射接收窗 口的太陽光進一步反射后，進入吸熱結(jié)構(gòu)的接收窗口。進一步地，所述輔助聚光器為活動結(jié)構(gòu)，在非吸收工作狀態(tài)時，可活動關(guān)閉吸熱結(jié)構(gòu)的接收窗口，減少熱量從接收窗口向外的輻射和對流損失。進一步地，所述罐體外部表面涂有低發(fā)射率涂層，以降低向外部的熱量的輻射。進一步地，所述罐體外部布置的保溫結(jié)構(gòu)為真空保溫結(jié)構(gòu)，降低熱量損失。優(yōu)選地，所述真空保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置多層隔熱屏，減少熱輻射量。進一步地，所述儲熱介質(zhì)為特定溫度范圍內(nèi)具有相變的相變材料或具有化學(xué)能的儲熱功能材料，該儲熱材料位置相對固定，不隨傳熱介質(zhì)的流動而移動。進一步地，所述相變材料為金屬、無機鹽；所述無機鹽為硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽等單質(zhì)或各自混合鹽或相互混合鹽，利用相變材料的相變潛熱進行儲熱和釋放熱量。優(yōu)選地，所述相變材料的相變溫度點高于系統(tǒng)熱利用所需的蒸汽飽和溫度點，例如4MPa壓力下對應(yīng)的所需蒸汽飽和溫度為250°C，選用的相變材料大氣壓力下具有308°C的相變溫度，從而保證所儲熱能可提供足夠溫度品質(zhì)的水-蒸汽相變熱量。進一步地，所述硝酸鹽為硝酸鈉、硝酸鉀和/或其混合物。進一步地，所述儲熱介質(zhì)為固體儲熱塊，例如鎂碳磚、天然石材等固體材料；所述換熱結(jié)構(gòu)通過熔融金屬布置于固體儲熱塊中間。進一步地，所述一體化裝置由兩個或兩個以上的一體化裝置單元組合組成。進一步地，所述儲熱介質(zhì)至少包括兩種，其中一種物質(zhì)利用固-液狀態(tài)轉(zhuǎn)換的相變熱進行儲熱，另一種物質(zhì)利用液體狀態(tài)的顯熱進行儲熱并利用其液體狀態(tài)的強對流特性進行換熱。進一步地，所述吸熱結(jié)構(gòu)位于罐體下部，吸收熱量后從儲熱材料下方進行加熱，使液態(tài)儲熱材料在罐體內(nèi)形成自然對流，以利熱量吸收和傳遞。進一步地，所述換熱結(jié)構(gòu)包括換熱管道和換熱管道外部的金屬翅片，以提高換熱結(jié)構(gòu)的換熱能力。進一步地，所述換熱結(jié)構(gòu)內(nèi)的傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油或水或氣體，氣體例如為空氣、氮
氣、氦氣、氫氣等。進一步地，所述一體化裝置內(nèi)部設(shè)置內(nèi)部攪拌系統(tǒng)；例如機械攪拌器或氣體循環(huán)器。
進一步地，所述一體化裝置由兩個或兩個以上一體化裝置單元組合而成，相鄰單元由換熱器的換熱管道相互連接，且對連接處進行保溫處理。進一步地，所述一體化裝置包括前級低溫段一體化裝置和后級高溫段一體化裝置，且各級一體化裝置內(nèi)布置有不同的儲熱介質(zhì)，分別完成飽和蒸氣的發(fā)生和飽和蒸汽的過熱。進一步地，所述一體化裝置應(yīng)用于陣列菲涅爾光熱利用領(lǐng)域。進一步地，所述多個塔式一體化裝置陣列布置于太陽能鏡場；包括前級低溫塔式一體化裝置和后級高溫塔式一體化裝置，且前級和后級串聯(lián)完成飽和蒸汽的發(fā)生和飽和蒸汽的過熱過程。進一步地，所述一體化裝置應(yīng)用于塔式或碟式光熱利用領(lǐng)域。本發(fā)明具有現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點1、吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，簡化了熱傳 系統(tǒng)，大量減少了熱傳管路，成本低；2、采用熔融鹽相變儲熱；其儲熱能力強，溫度參數(shù)高，一體化裝置所需承壓小，整體上所需成本較低；且熔融鹽在儲熱或換熱過程中在空間上基本不移動或移動量較小，潛在的威脅較??；4、換熱結(jié)構(gòu)包括線性或盤旋貫穿布置于一體化結(jié)構(gòu)內(nèi)部換熱管道和布置于換熱管道外部的金屬翅片，在熔融鹽的自然對流驅(qū)動下具有良好的換熱性能；5、一體化裝置結(jié)構(gòu)外部布置的真空隔熱和多層隔熱屏布置結(jié)構(gòu)，減少熱量的損失；6、吸熱結(jié)構(gòu)外部布置有輔助聚光器，能將未直接入射集熱器的太陽光再次入射至集熱器窗口 ；且輔助聚光器在吸熱結(jié)構(gòu)非工作狀態(tài)時，改變輔助聚光器位置狀體，將吸熱結(jié)構(gòu)接收窗口關(guān)閉，減少一體化裝置的熱量損失；7、整個一體化裝置受支撐架所制成固定，相對位置固定不變，能很好地克服換熱器內(nèi)部氣液兩相流引起的水錘、震動問題；8、整體結(jié)構(gòu)簡單，所需管道較少，制造成本低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)。


圖I是本發(fā)明的線性吸熱、儲熱、換熱一體化裝置整體結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的一體化裝置單元結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明的一體化裝置結(jié)構(gòu)截面示意 圖4是本發(fā)明的吸熱結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明的吸熱結(jié)構(gòu)的非工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明的換熱結(jié)構(gòu)示意 圖7是本發(fā)明的儲熱介質(zhì)為固體儲熱塊的一體化裝置實施例結(jié)構(gòu)示意 圖8是本發(fā)明的儲熱介質(zhì)為兩種不同物質(zhì)的一體化裝置實施例結(jié)構(gòu)示意 圖9是本發(fā)明的真空保溫結(jié)構(gòu)示意 圖10是本發(fā)明的塔式柱狀集熱、儲熱、換熱一體化裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。下面參照附圖對本發(fā)明的具體實施方案進行詳細的說明。圖I是本發(fā)明的線性吸熱、儲熱、換熱一體化裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；如圖I所示，吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，主要包括罐體I、罐體I表面的吸熱結(jié)構(gòu)2、罐體I外部的保溫結(jié)構(gòu)3、罐體I內(nèi)部的儲熱介質(zhì)以及儲熱介質(zhì)中布置的換熱結(jié)構(gòu)4 ;該吸熱結(jié)構(gòu)2直接布置于罐體表面的某個部分，圖中顯示為罐體的某個局部向內(nèi)凹，形成空腔，空腔內(nèi)部具有吸熱涂層；該吸熱涂層將接收菲涅爾反射鏡15反射的太陽光(一體化裝置整體位置固定，反射鏡15繞自身的軸旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽光)，轉(zhuǎn)化成熱量后，通過罐體I傳遞至罐體I內(nèi)部布置的儲熱介質(zhì)；所述儲熱介質(zhì)通過顯熱、相變熱、化學(xué)能熱進行儲存或釋放熱量。罐體I本身除受重力支撐壓力之外，不需要承受來自內(nèi)部儲熱介質(zhì)額外的壓力，整個罐體I的外部設(shè)置有低發(fā)射率涂層，以減少儲熱介質(zhì)通過罐體I向環(huán)境中的熱量的損失；進一步地，該一體化裝置中還包括換熱結(jié)構(gòu)4，該換熱結(jié)構(gòu)4位于罐體I內(nèi)部的儲熱介質(zhì)中，通過流經(jīng)其內(nèi)部的換熱介質(zhì)對一體化裝置內(nèi)部的熱量進行傳輸調(diào)節(jié)；進一步地，所述一體化裝置內(nèi)部設(shè)置內(nèi)部攪拌系統(tǒng)。進一步地，所述一體化裝置內(nèi)部攪拌系統(tǒng)為機械攪拌器或氮氣循環(huán)器。每列一體化裝置的長度可以為300-1000m;—體化裝置由多個一體化裝置單元組成，包括密閉的儲熱空間，多個一體化單元由連續(xù)的換熱結(jié)構(gòu)4串聯(lián)形成，例如一體化裝置單元101和一體化裝置單元102串聯(lián)布置，其對應(yīng)接收串聯(lián)布置的反射鏡15反射的太陽光，再者不同的位置一體化裝置單元內(nèi)部的儲熱介質(zhì)可以設(shè)置為不同，分別用作不同的用途，例如前級一體化裝置用以飽和蒸汽產(chǎn)生，后級一體化裝置用以過熱蒸汽的產(chǎn)生。該一體化裝置很好地解決了儲熱介質(zhì)成本高，儲熱運行復(fù)雜；無需集熱管外部的玻璃金屬封接形成的真空保溫結(jié)構(gòu)，大大降低集熱管制造成本，無需集熱管的導(dǎo)熱介質(zhì)，降低運行成本；蒸汽換熱直接埋設(shè)在儲熱介質(zhì)內(nèi)，受熱均勻，能克服一般DSG系統(tǒng)換熱水錘振動問題，減少換熱運行成本；減少建設(shè)用地面積，提高場地利用率。 圖2是本發(fā)明的一體化裝置單元結(jié)構(gòu)示意圖；如圖2所示，一體化裝置單元包括罐體1，布置于罐體I下部的吸熱結(jié)構(gòu)2、儲熱罐體I外部的真空保溫結(jié)構(gòu)3、罐體I內(nèi)部布置的換熱結(jié)構(gòu)4 ;換熱結(jié)構(gòu)4與罐體I所形成的空間內(nèi)填充儲熱介質(zhì)。罐體I內(nèi)部的儲熱介質(zhì)可以為固體儲熱塊、導(dǎo)熱油；該固體儲熱塊為鎂碳磚、天然石材；儲熱介質(zhì)也可以為特定溫度范圍內(nèi)具有相變的相變材料或具有化學(xué)能的儲熱功能材料，該儲熱材料位置相對固定，只會由于外部擾動或溫度差異形成內(nèi)部對流，不會隨傳熱介質(zhì)的流動而移動。進一步地，所述相變材料為金屬、無機鹽；所述無機鹽為硝酸鹽、碳酸鹽、氯化鹽等單質(zhì)或各自混合鹽或相互混合鹽，利用相變材料的相變潛熱進行儲熱和釋放熱量；所選擇的相變溫度點高于系統(tǒng)熱利用所需的蒸汽飽和溫度點，如硝酸鈉相變溫度點為308°C，而高于4MPa壓力下對應(yīng)的水蒸氣飽和溫度250°C，這樣可以保證所儲熱能可提供足夠溫度品質(zhì)的水-蒸汽相變熱量。進一步地，所述無機鹽為硝酸鹽、氯化鹽、碳酸鹽；進一步地，所述硝酸鹽為硝酸鈉、硝酸鉀。優(yōu)選地，儲熱介質(zhì)內(nèi)部零散地分布石墨塊、石墨粉、或金屬纖維等，以增強傳熱換熱性能，防止過熱、過冷現(xiàn)象，且可降低儲熱介質(zhì)成本等；進一步地，所述吸熱結(jié)構(gòu)位于罐體下部，吸收熱量后從儲熱材料下方進行加熱，使液態(tài)儲熱材料在罐體內(nèi)形成自然對流，以利熱量吸收和傳遞。罐體I外部布置有真空的保溫結(jié)構(gòu)3，減少內(nèi)部的高溫對流熱損失；且在真空的保溫結(jié)構(gòu)3內(nèi)部布置有多層隔熱屏，減少高溫熱輻射量。優(yōu)選地，真空保溫結(jié)構(gòu)3可以由布置在罐體I外部的玻璃套管構(gòu)成，以簡化結(jié)構(gòu)，提高密封可靠性；優(yōu)選地，真空保溫結(jié)構(gòu)3由金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有足夠的機械強度，此保溫結(jié)構(gòu)3包圍大部分罐體，只留出吸收窗口。吸熱結(jié)構(gòu)2為空腔結(jié)構(gòu),位于罐體I的底部；換熱結(jié)構(gòu)4包括換熱管道和換熱管道外部的金屬翅片以增大儲熱介質(zhì)與換熱結(jié)構(gòu)4之間的換熱截面；換熱介質(zhì)流經(jīng)換熱結(jié)構(gòu)4內(nèi)部，將系統(tǒng)的內(nèi)部的熱量輸送系統(tǒng)外部，換熱介質(zhì)優(yōu)化為導(dǎo)熱油或水或氣體。圖3是本發(fā)明的一體化裝置結(jié)構(gòu)截面示意圖，圖中示意出了真空保溫結(jié)構(gòu)3內(nèi)部的多層隔熱屏12示意。圖4是本發(fā)明的吸熱結(jié)構(gòu)示意圖；如圖4所示，該吸熱結(jié)構(gòu)2位于罐體I的底部包括空腔結(jié)構(gòu)5、空腔結(jié)構(gòu)5的窗口位置布置的輔助聚光器6及輔助聚光器6背部布置的保溫層7 ;該空腔結(jié)構(gòu)5內(nèi)凹面布置有高吸收率低吸收率涂層，將會聚來的太陽光轉(zhuǎn)化成熱量，空腔結(jié)構(gòu)5自身溫度升高，將熱量傳遞至罐體I和儲熱介質(zhì)；輔助聚光器6包括兩片反射鏡，鏡面向內(nèi)，分別位于接收窗口的兩邊，且向外微張開，能夠?qū)⑽粗苯尤肷涞奶柟庠俅畏瓷淙肷溥M入吸熱結(jié)構(gòu)2的窗口 ；該輔助聚光器6背部優(yōu)化為布置有保溫層7，二者形成一個結(jié)構(gòu)整體保溫層7對輔助聚光器6提供支撐力，設(shè)置為整體活動結(jié)構(gòu)。圖5是本發(fā)明的吸熱結(jié)構(gòu)的非工作狀態(tài)下結(jié)構(gòu)示意圖；圖5中示意圖了罐體1，罐體I下部布置的吸熱結(jié)構(gòu)2，在空腔結(jié)構(gòu)5的開口位置 的輔助聚光器6和背部保溫層7形成結(jié)構(gòu)整體；當吸熱結(jié)構(gòu)處于非工作狀態(tài)下，輔助聚光器6和保溫層7關(guān)閉吸熱結(jié)構(gòu)2的接收窗口，減少熱量從接收窗口的輻射和對流損失；而當吸熱結(jié)構(gòu)2為工作狀態(tài)下，輔助聚光器6和保溫層7展開，將未直接入射接收窗口的光經(jīng)過一次反射后再次入射接收窗口。圖6是本發(fā)明的換熱結(jié)構(gòu)示意圖；如圖6所示，換熱結(jié)構(gòu)4包括換熱管道8和換熱管道8的上布置的金屬翅片9，增大換熱結(jié)構(gòu)4與儲熱介質(zhì)之間的換熱界面，以提高換熱結(jié)構(gòu)4的換熱效率；更優(yōu)選地，在儲熱介質(zhì)的內(nèi)部布置有纖維、金屬絲等高導(dǎo)熱材料，進一步提高儲熱介質(zhì)的內(nèi)部熱傳導(dǎo)率，更高效地將熱量傳輸至換熱結(jié)構(gòu)4 ;換熱結(jié)構(gòu)4線性貫穿于一體化裝置單元內(nèi)部，多個一體化裝置單元通過換熱結(jié)構(gòu)4相互連接，換熱結(jié)構(gòu)4內(nèi)部的換熱介質(zhì)流經(jīng)換熱結(jié)構(gòu)4，將換熱結(jié)構(gòu)4接收的熱量換出系統(tǒng)外部，換熱介質(zhì)優(yōu)選為導(dǎo)熱油、水或氣體，氣體例如為空氣、氮氣、氦氣、氫氣等；因整個一體化裝置在運行過程中位置固定，受支撐件所支撐固定，可以很好地克服傳統(tǒng)DSG的氣液兩相流震動等問題，所以換熱介質(zhì)為水為最優(yōu)方案，成本低廉，運行穩(wěn)定可靠。當一體化裝置應(yīng)用于碟式光熱領(lǐng)域時，換熱結(jié)構(gòu)為斯特林發(fā)動機的換熱結(jié)構(gòu)，換熱介質(zhì)為氣體，例如空氣、氦氣或氫氣。圖7是本發(fā)明的儲熱介質(zhì)為固體儲熱塊的一體化裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖；如圖7所示，該一體化裝置整體結(jié)構(gòu)呈細長形，具有很高的長徑比(一體化裝置的長度與直徑之比)；該線性一體化裝置由多個一體化儲熱單元組成串聯(lián)組成，例如包括串聯(lián)的一體化儲熱單元101和一體化儲熱單元102 ;—體化裝置主要包括罐體I、下部布置的吸熱結(jié)構(gòu)2、外部布置的保溫結(jié)構(gòu)3，內(nèi)部布置的儲熱介質(zhì)為固體儲熱塊11、固體儲熱塊11內(nèi)部布置的換熱結(jié)構(gòu)4，一體化裝置在軸向上具有斜溫層，在換熱結(jié)構(gòu)4的流出端溫度高于換熱結(jié)構(gòu)4的流出端溫度；該固體儲熱塊11的材質(zhì)為高密度、高比熱容、導(dǎo)熱良好、性質(zhì)穩(wěn)定的固體儲熱材質(zhì)，例如為耐火磚、巖石、陶瓷、玻璃、石墨、煤炭、土狀石墨、金屬、礦石、礦渣、混凝土等其中一種或至少兩種的混合物。優(yōu)選地，該固體儲熱塊11的材質(zhì)為炭磚、復(fù)合炭磚類的耐火材料，由于導(dǎo)熱好、比熱容較大、孔隙率低、密度高、性質(zhì)穩(wěn)定、材料來源廣泛、成本較低，特別適合優(yōu)選作為儲熱介質(zhì)，例如鎂炭磚、鋁炭磚等。進一步地，固體儲熱塊11的結(jié)構(gòu)為具有不同尺寸和形狀的固體儲熱塊，例如長方形塊體、圓柱管塊體、扇形柱狀體。進一步地，固體儲熱塊11通過熔融金屬將各固體儲熱塊11或其混合物澆鑄，冷凝固化成整體而成具有自支撐強度的大尺寸固體儲熱塊11，與換熱結(jié)構(gòu)4之間也使用同樣方法獲得；換熱結(jié)構(gòu)4內(nèi)部換熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油或水或氣體，氣體例如為空氣、氮氣、氦氣、氫氣等。圖8是本發(fā)明的儲熱介質(zhì)為兩種不同物質(zhì)的一體化裝置實施例結(jié)構(gòu)示意圖；該實施例中，儲熱介質(zhì)由至少兩種組成，分別位于相互獨立的密閉空間內(nèi)，以分別利用該兩種物質(zhì)的相變熱和顯熱進行熱量的存儲及換熱；其中顯熱物質(zhì)整個工作溫度范圍內(nèi)持續(xù)保持液態(tài)狀態(tài)，完全浸潤于換熱結(jié)構(gòu)的換熱界面外部，具有良好的對流換熱性能。如圖8所示，該一體化裝置包括兩種儲熱介質(zhì)，分別為儲熱介質(zhì)A和儲熱介質(zhì)B，儲熱介質(zhì)A具有比儲熱介質(zhì)B更寬的使用范圍，且一定范圍內(nèi)沒有相變；儲熱介質(zhì)A例如為硝酸鈉Wt60%+硝酸鉀wt40% ;在230°C下具有熔點，可以在最高范圍580°C下正常工作；儲熱介質(zhì)B例如硝酸鈉單質(zhì)，在308°C下具有熔點，可以在最高范圍380°C下正常工作，因為其在308°C范圍內(nèi)具有相變熱，具有比儲熱介質(zhì)A更高的儲熱能力；儲熱介質(zhì)的兩種物質(zhì)分別獨立地布置于罐體內(nèi)部的密閉空間內(nèi)；儲熱介質(zhì)B布置于密閉儲熱腔16內(nèi)，多個密閉儲熱腔16通過連接器17焊接串聯(lián)于換熱結(jié)構(gòu)4上，各密閉儲熱腔16之間具有間隙；儲熱介質(zhì)A布置于罐體I、密閉儲熱腔16及吸熱結(jié)構(gòu)4所形成的空間內(nèi)部；儲熱介質(zhì)A在整個工作溫度范圍中都為液態(tài)狀態(tài)，完全浸潤于換熱結(jié)構(gòu)4和吸熱結(jié)構(gòu)的換熱界面，在熱量的傳遞過程中儲熱介質(zhì)A與換熱界面表現(xiàn)為對流換熱，具有良好的換熱性能；儲熱介質(zhì)B因為在一定范圍內(nèi)例如308°C具有相變溫度點，能持續(xù)相當時間內(nèi)提供系統(tǒng)所需蒸汽的高品位熱量，例如所需蒸汽參數(shù)4MPa，對應(yīng)的蒸汽飽和溫度為250°C，儲熱介質(zhì)B能長時間地保存在250°C溫度上，釋放大量的熱量，其中包括大量的相變熱，同時該熱量可以通過儲熱腔16的外壁傳遞給儲熱介質(zhì)A，再經(jīng)過A的對流作用傳遞至換熱界面；該種雙物質(zhì)的儲熱介質(zhì)方式，具有高的儲熱密度和良好 的換熱性能，同時能提供足夠高品位熱量和所需的功率。圖9是本發(fā)明的真空保溫結(jié)構(gòu)示意圖；如圖9所示，真空保溫結(jié)構(gòu)包括外層結(jié)構(gòu)15和內(nèi)層結(jié)構(gòu)14及端邊結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成真空空間；優(yōu)選地，真空保溫結(jié)構(gòu)可以由布置在罐體外部的雙玻璃套管構(gòu)成，以簡化結(jié)構(gòu)，提高密封可靠性；優(yōu)選地，真空保溫結(jié)構(gòu)由雙金屬套管結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有足夠的機械強度，此保溫結(jié)構(gòu)包圍大部分罐體，只留出吸收窗口，吸收窗口外部布置有輔助聚光器6，將未能直接入射接收窗口的太陽光再次入射至接收窗口內(nèi)部的吸熱結(jié)構(gòu)，該輔助聚光器6設(shè)計為活動結(jié)構(gòu)，在吸熱結(jié)構(gòu)非工作狀態(tài)完成對吸收窗口的關(guān)閉。
該一體化裝置結(jié)構(gòu)外部為真空保溫結(jié)構(gòu)，且內(nèi)部布置有多層具有低發(fā)射率涂層的隔熱屏，具有良好的保溫效果。例如，假定一體化裝置被支撐于高處，下部為太陽能鏡場，二者高度差為7米，鏡場寬度8米，長度為500米；DNI (太陽能垂直輻射量)為900W/m2;總的接收效率大約為68%，一體化裝置將1/4熱量直接輸出發(fā)電，剩余全部用于儲存，用以無太陽光線直接入射后繼續(xù)發(fā)電，儲熱介質(zhì)使用硝酸鹽混合物，則儲熱罐直徑大約為300_，環(huán)境溫度為20°C，內(nèi)部溫度為400°C，真空保溫結(jié)構(gòu)外徑400mm，且內(nèi)部布置有10層發(fā)射率為O. 05的隔熱屏，隔熱屏的厚度O. 3mm ;該一體化裝置全天散熱總量小于白天接收熱量總量的5%，該系統(tǒng)具有良好的保溫效果。圖10是本發(fā)明的塔式柱狀集熱、儲熱、換熱一體化裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；如圖10所示，一體化裝置整體布置于支撐塔10上部，包括罐體I、罐體I外部布置的吸熱結(jié)構(gòu)2及罐體I外部布置的保溫層。進一步地，一體化裝置還包括內(nèi)部的換熱結(jié)構(gòu)(圖中沒有示出)。吸熱結(jié)構(gòu)2位于罐體I下部，包括高效吸收涂層或空腔吸收器結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)面具有高吸收率涂層，能高效吸收定日鏡16反射會聚的太陽光轉(zhuǎn)變成熱量，直接將熱量傳遞至罐體I內(nèi)部的儲熱介質(zhì)；吸熱結(jié)構(gòu)2的接收窗口外部布置有環(huán)形的輔助聚光器6,將未入射的會聚光再次反射進入吸熱結(jié)構(gòu)2接收窗口，提高吸熱效率，輔助聚光器6背部設(shè)置有保溫層，在集熱器非工作狀態(tài)中，相互折疊，起到對集熱器接收窗口關(guān)閉保溫的效果；換熱結(jié)構(gòu)包括換熱管道和換熱管道附近布置的金屬翅片，整體盤旋貫穿于一體化裝置內(nèi)部。該塔式一體化裝置較菲涅爾一體化裝置具有更加集中儲熱介質(zhì)空間布置，具有小的多的散熱面，保溫效果明顯。例如塔式一體化裝置布置于支撐塔上部，接收與上述描述的菲涅爾一體化裝置相同的鏡場面積的太陽光，具有相同的光效率；受光鏡場面積4000m2，整場面積10000 Iif ;塔的高度為25m，儲熱介質(zhì)儲熱容量為62. 5MWh ;初步以儲熱焓差400KJ/Kg測算，所需儲熱介質(zhì)質(zhì)量563T，儲熱介質(zhì)約為250 m3 ;儲熱罐體位于塔高10m，儲熱罐體高15m，儲熱罐體直徑為4. 6m ;整體結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面積小，罐體外部布置有保溫層，具有良好的保溫效果。多個塔式一體化裝置陣列布置于太陽能鏡場；包括前級低溫塔式一體化裝置和后級高溫塔式一體化裝置，且前級和后級串聯(lián)完成飽和蒸汽的發(fā)生和飽和蒸汽的過熱過程，可以實現(xiàn)大面積太陽能利用。值得特殊說明的是，本發(fā)明的集熱、儲熱、換熱一體化裝置還可以應(yīng)用于碟式聚光 結(jié)構(gòu)中，該一體化裝置的吸熱結(jié)構(gòu)布置于碟式反射鏡的焦點位置，接收反射鏡反射的太陽光，轉(zhuǎn)變成熱量后將熱量儲存于一體化裝置內(nèi)的儲熱介質(zhì)中。該與碟式一體化裝置相互連接的動力系統(tǒng)可以為斯特林機，該斯特林機的換熱管道直接布置于該一體化裝置的儲熱介質(zhì)內(nèi)部，以氦氣或氫氣等為換熱介質(zhì)，從儲熱介質(zhì)內(nèi)部將發(fā)電機所需的熱量換出，提供發(fā)電。該一體化裝置可以應(yīng)用于槽式、陣列菲涅爾結(jié)構(gòu)、塔式聚光結(jié)構(gòu)中或碟式聚光結(jié)構(gòu)中，且該一體化裝置可以優(yōu)化地包括前級低溫一體化裝置和后級高溫一體化裝置，且各級一體化裝置內(nèi)布置有不同的儲熱介質(zhì)，分別完成飽和蒸氣的發(fā)生和飽和蒸汽的過熱。顯而易見，在不偏離本發(fā)明的真實精神和范圍的前提下，在此描述的本發(fā)明可以有許多變化。因此，所有對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的改變，都應(yīng)包括在本權(quán)利要求書所涵蓋的范圍之內(nèi)。本發(fā)明所要求保護的范圍由所述的權(quán)利要求書進行限定。
權(quán)利要求
1.一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置；主要包括罐體(I)、罐體(I)上的吸熱結(jié)構(gòu)(2)、罐體(I)外部的保溫結(jié)構(gòu)(3)、罐體(I)內(nèi)部的儲熱介質(zhì)及儲熱介質(zhì)中布置的換熱結(jié)構(gòu)(4);所述罐體(I)位于太陽能聚光系統(tǒng)的焦線或焦點附近位置，所述吸熱結(jié)構(gòu)(2)直接布置于全部或部分罐體表面，將接收的太陽光轉(zhuǎn)化成熱量后傳遞至罐體內(nèi)部的儲熱介質(zhì)；所述換熱結(jié)構(gòu)(4)通過流經(jīng)內(nèi)部的換熱介質(zhì)對一體化裝置內(nèi)部的熱量進行傳輸調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述吸熱結(jié)構(gòu)(2)的吸熱層為高吸收率、低發(fā)射率涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述吸熱結(jié)構(gòu)(2 )為空腔吸熱結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)部受光面具有高吸收率低發(fā)射率吸熱層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述吸熱結(jié)構(gòu)(2)的接收窗口外部布置有輔助聚光器(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述輔助聚光器(6)為活動結(jié)構(gòu)，在非工作狀態(tài)下關(guān)閉吸熱結(jié)構(gòu)(2)的接收窗口。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述罐體(I)外部布置有真空的保溫結(jié)構(gòu)(3 )。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述儲熱介質(zhì)包括特定溫度范圍內(nèi)具有相變的相變材料，且相變溫度點高于需要產(chǎn)生的蒸汽的飽和溫度點。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述儲熱介質(zhì)為固體儲熱塊(11)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述固體儲熱塊(11)為鎂碳磚、天然石材等固體材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述儲熱介質(zhì)至少包括兩種，其中一種物質(zhì)利用固-液狀態(tài)轉(zhuǎn)換的相變熱進行儲熱，另一種物質(zhì)利用液體狀態(tài)的顯熱進行儲熱并利用其液體狀態(tài)的強對流特性進行換熱。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述換熱結(jié)構(gòu)(4)包括換熱管道(8)和換熱管道(8)外部的金屬翅片(9)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述換熱結(jié)構(gòu)(4)的傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油或水或氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述吸熱結(jié)構(gòu)⑵位于罐體⑴下部。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述一體化裝置由兩個或兩個以上的一體化裝置單元組合組成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述一體化裝置包括前級低溫段一體化裝置和后級高溫段一體化裝置，且各級一體化裝置內(nèi)布置有不同的儲熱介質(zhì)，分別完成飽和蒸氣的發(fā)生和蒸汽的過熱。
16.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述一體化裝置應(yīng)用于槽式或陣列菲涅爾光熱利用領(lǐng)域。
17.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置，其特征在于，所述一體化裝置應(yīng)用于 塔式或碟式光熱利用領(lǐng)域。
全文摘要
本發(fā)明提供一種吸熱、儲熱、換熱一體化裝置；主要包括罐體(1)、罐體(1)上的吸熱結(jié)構(gòu)(2)、罐體(1)外部的保溫結(jié)構(gòu)(3)、罐體(1)內(nèi)部的儲熱介質(zhì)及儲熱介質(zhì)中布置的換熱結(jié)構(gòu)(4)；所述罐體(1)位于太陽能聚光系統(tǒng)的焦線或焦點附近位置，所述吸熱結(jié)構(gòu)(2)直接布置于全部或部分罐體表面，將接收的太陽光轉(zhuǎn)化成熱量后傳遞至罐體內(nèi)部的儲熱介質(zhì)；所述換熱結(jié)構(gòu)(4)通過流經(jīng)內(nèi)部的換熱介質(zhì)對一體化裝置內(nèi)部的熱量進行傳輸調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)減少熱傳系統(tǒng)的復(fù)雜管道布置及管理，制造簡單，具有較常規(guī)系統(tǒng)更高的可靠性和更低的建設(shè)成本。
文檔編號F24J2/06GK102927698SQ20111022743
公開日2013年2月13日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月9日
發(fā)明者劉陽 申請人:北京兆陽能源技術(shù)有限公司