本發(fā)明屬于太陽能儲(chǔ)能利用領(lǐng)域，特別涉及一種基于相變儲(chǔ)熱單元的模塊化梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置及其方法。

背景技術(shù)：

太陽能由于其環(huán)保清潔、可再生、分布范圍廣、容易獲取等優(yōu)點(diǎn)，成為了目前能源應(yīng)用領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。太陽能中高溫儲(chǔ)熱利用技術(shù)作為低成本能源利用技術(shù)之一，是未來有效緩解傳統(tǒng)熱力發(fā)電帶來的能源短缺、資源枯竭、環(huán)境污染問題的重要手段。太陽能利用系統(tǒng)主要包括集熱子系統(tǒng)、吸熱與傳熱子系統(tǒng)、儲(chǔ)能子系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和動(dòng)力發(fā)電子系統(tǒng)。儲(chǔ)能子系統(tǒng)是保證系統(tǒng)高效連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)的改進(jìn)與完善成為了目前該領(lǐng)域探討的重點(diǎn)。

儲(chǔ)能的實(shí)質(zhì)就是將一定形式的能量在一定條件下儲(chǔ)存起來，并將其在一定的條件下釋放應(yīng)用。儲(chǔ)熱材料的使用過程包括兩個(gè)階段：熱量的儲(chǔ)備和熱量的釋放，這兩個(gè)階段循環(huán)進(jìn)行，在時(shí)間和空間上達(dá)到調(diào)節(jié)熱能分配的作用，最終實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，從而達(dá)到節(jié)能的技術(shù)要求。目前存在的儲(chǔ)熱形式主要有三類：顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱。顯熱儲(chǔ)熱是指存儲(chǔ)熱量的多少可以直接通過固體或液體溫度增加的多少來衡量；相變儲(chǔ)熱也叫潛熱儲(chǔ)熱，其儲(chǔ)熱密度比顯熱儲(chǔ)熱高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠在恒溫條件下吸收或釋放大量的熱能。因此，對(duì)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可以很好提高熱能利用效率。

熔鹽是目前使用最為廣泛的相變儲(chǔ)熱材料，按其化學(xué)性質(zhì)分為硝酸鹽、碳酸鹽、氟化鹽、氯化鹽等，而不同種類熔鹽的熔點(diǎn)和工作溫度也存在差異。一般工程要求熔點(diǎn)要低于運(yùn)行溫度50℃左右。氟化物熔鹽中FLiNaK共晶鹽熔點(diǎn)為454℃，F(xiàn)LiBe(LiF-BeF₂，66-33mol％)熔點(diǎn)為434℃。硝酸鹽熔鹽中的HTS熔點(diǎn)為142℃，用于Solar Two電站中的Solar Salt(NaNO₃-KNO₃60-40wt％)初晶溫度為220℃，還有Hitec XL(NaNO₃-KNO₃-Ca(NO₃)₂，7-45-48wt％)熔點(diǎn)為120℃。碳酸鹽的工作溫度范圍是450-800℃。目前根據(jù)不同的工作環(huán)境和工作要求，是選擇其中一種作為儲(chǔ)熱材料。

在傳統(tǒng)的以化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)中，能量尤其是高品位的電能需求主要由供應(yīng)端實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)產(chǎn)出實(shí)現(xiàn)供需平衡，儲(chǔ)熱裝置尤其是高溫儲(chǔ)熱裝置的應(yīng)用還較少。并且，也沒有將中、高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用的裝置。目前還沒有中、高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)梯級(jí)儲(chǔ)熱的相關(guān)技術(shù)。

因此，提供一種儲(chǔ)熱材料多樣，中、高溫儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)合的儲(chǔ)熱裝置及其方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于相變儲(chǔ)熱單元的模塊化梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置，該裝置可以實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)熱材料與固體儲(chǔ)熱材料的復(fù)合使用，并具有按照相變材料工質(zhì)的工作溫度分布的優(yōu)點(diǎn)，使熱量在裝置中達(dá)到梯級(jí)利用的節(jié)能效果。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于上述模塊化梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置的方法，實(shí)現(xiàn)熱量梯級(jí)儲(chǔ)存和梯級(jí)利用，適用范圍廣。

本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于相變儲(chǔ)熱單元的模塊化梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置，包括裝置本體、保溫系統(tǒng)、相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng)，保溫系統(tǒng)設(shè)置在裝置本體外側(cè)，輸入輸出系統(tǒng)分別設(shè)置在裝置本體的上端與下端；所述相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)放置在裝置本體內(nèi)，包括若干個(gè)相變儲(chǔ)熱單元，相變儲(chǔ)熱單元底部有支撐架支撐以形成換熱工質(zhì)的水平流動(dòng)通道，相變儲(chǔ)熱單元在裝置本體內(nèi)按照其內(nèi)部相變材料熔點(diǎn)高低梯級(jí)分布。本發(fā)明通過在相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)設(shè)置不同的相變材料，熱量可以梯級(jí)儲(chǔ)存和梯級(jí)利用，保證裝置本體區(qū)域的充分利用，大大提高能量的利用效率。

優(yōu)選的，每個(gè)所述相變儲(chǔ)熱單元包括相變儲(chǔ)熱模塊以及固體儲(chǔ)熱模塊，所述相變儲(chǔ)熱模塊包括相變儲(chǔ)熱內(nèi)殼，內(nèi)殼內(nèi)填充有相變材料，固體儲(chǔ)熱模塊采用固體儲(chǔ)熱材料，固體儲(chǔ)熱模塊包裹在相變儲(chǔ)熱內(nèi)殼外側(cè)，且固定在所述支撐架上。

更進(jìn)一步的，所述相變儲(chǔ)熱單元分為主體相變儲(chǔ)熱單元和邊界相變儲(chǔ)熱單元兩種類型，相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)由上述兩種類型的單元組合排列堆積而成；主體相變儲(chǔ)熱單元包含1個(gè)固體儲(chǔ)熱模塊和2個(gè)相變儲(chǔ)熱模塊；邊界相變儲(chǔ)熱單元包含1個(gè)固體儲(chǔ)熱模塊和1個(gè)相變儲(chǔ)熱模塊；兩種儲(chǔ)熱單元底部皆有支撐架支撐以形成流體的水平流動(dòng)通道。根據(jù)儲(chǔ)熱的需求，邊界相變儲(chǔ)熱單元可放置在裝置本體的邊緣處，主體相變儲(chǔ)熱單元可放置在裝置本體的中心位置區(qū)域，從而使外來傳熱介質(zhì)通道錯(cuò)落地分布在裝置本體內(nèi)，加強(qiáng)傳熱介質(zhì)流體與儲(chǔ)熱單元間的換熱。

優(yōu)選的，所述裝置本體包括殼體、均流裝置，殼體為長(zhǎng)方體或柱體結(jié)構(gòu)，殼體外部上下兩端分別通過管道與輸入輸出系統(tǒng)相連；均流裝置內(nèi)嵌在殼體內(nèi)部上下兩端，與相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)通過法蘭進(jìn)行連接，連接處使用密封圈進(jìn)行密封，所述均流裝置用于使進(jìn)入殼體內(nèi)的換熱工質(zhì)均勻分布。

更進(jìn)一步的，所述均流裝置是由管徑大小相同、平行排列的管束組成，從入口的視角看上去呈蜂窩狀，錐形處的管徑按照殼體同樣比例增大。從而使進(jìn)入殼體內(nèi)的換熱工質(zhì)均勻分布。

更進(jìn)一步的，所述相變材料采用潛熱熔鹽儲(chǔ)熱介質(zhì)。

更進(jìn)一步的，所述固體儲(chǔ)熱材料采用各類陶瓷坯料。該類材料具有適宜的導(dǎo)熱系數(shù)、較大的比熱、良好的成型性能等特性。

優(yōu)選的，所述保溫系統(tǒng)包括溫控系統(tǒng)、保溫層、輔助加熱裝置，所述保溫層設(shè)置在裝置本體外側(cè)，溫控系統(tǒng)包括控制器以及若干個(gè)用于檢測(cè)當(dāng)前保溫層溫度的溫控傳感器，所述輔助加熱裝置與控制器相連。通過設(shè)置該保溫系統(tǒng)，可便于用戶對(duì)裝置本體外的溫度進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

一種基于上述相變儲(chǔ)熱單元的模塊化梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置的方法，具體包括以下步驟：

(1)儲(chǔ)熱階段：在儲(chǔ)熱過程開始時(shí)，高溫?fù)Q熱工質(zhì)輸入相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部相變材料熔點(diǎn)高的一端，然后通過裝置本體內(nèi)的水平流動(dòng)通道依次向熔點(diǎn)低的一端流動(dòng)，最后從相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部相變材料熔點(diǎn)最低的一端流出；經(jīng)過外部裝置加熱后繼續(xù)執(zhí)行上述循環(huán)，直到儲(chǔ)熱過程結(jié)束。

(2)放熱階段：在放熱過程開始時(shí)，低溫?fù)Q熱工質(zhì)輸入相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部相變材料熔點(diǎn)低的一端，然后通過裝置本體內(nèi)的水平流動(dòng)通道依次向熔點(diǎn)高的一端流動(dòng)，最后從相變儲(chǔ)熱單元內(nèi)部相變材料熔點(diǎn)最高的一端流出；經(jīng)過外部裝置放熱后繼續(xù)執(zhí)行上述循環(huán)，直到儲(chǔ)熱過程結(jié)束。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、本發(fā)明裝置中每個(gè)相變儲(chǔ)熱單元包括相變儲(chǔ)熱模塊以及固體儲(chǔ)熱模塊，將相變材料和相應(yīng)的固體材料復(fù)合應(yīng)用，大大提高了裝置的儲(chǔ)熱能力。

2、本發(fā)明裝置通過規(guī)律排列組合裝有不同種類相變材料的相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)，完成了各向異性多相態(tài)固體儲(chǔ)熱材料的性能調(diào)控。

3、本發(fā)明組合放置后的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，與單獨(dú)利用各相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)儲(chǔ)熱相比，熱量可以梯級(jí)儲(chǔ)存和梯級(jí)利用。

4、本發(fā)明整個(gè)裝置基于相變儲(chǔ)熱單元，易于單元堆積和系統(tǒng)放大，適用范圍廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)為本發(fā)明主體相變儲(chǔ)熱單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(b)為本發(fā)明邊界相變儲(chǔ)熱單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明方法的流程圖。

圖1中：1-裝置本體；2-換熱工質(zhì)；3-固體儲(chǔ)熱模塊；4-相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)；5-換熱流體通道；6-均流裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種基于相變儲(chǔ)熱單元的模塊化梯級(jí)儲(chǔ)熱裝置，包括裝置本體1、保溫系統(tǒng)、相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)4和輸入輸出系統(tǒng)。保溫系統(tǒng)設(shè)置在裝置本體外側(cè)，用于對(duì)裝置本體外的溫度進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)。相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)放置在裝置本體內(nèi)，由若干個(gè)相變儲(chǔ)熱單元堆積而成，相變儲(chǔ)熱單元在裝置本體內(nèi)按照其內(nèi)部相變材料熔點(diǎn)高低梯級(jí)分布。輸入輸出系統(tǒng)分別通過管道固定在殼體外部上下兩端。下面結(jié)合附圖對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體說明。

本實(shí)施例中，裝置本體包括殼體、均流裝置6，殼體為長(zhǎng)方體或柱體結(jié)構(gòu)，殼體外部上下兩端分別通過管道與輸入輸出系統(tǒng)相連；均流裝置內(nèi)嵌在殼體內(nèi)部上下兩端，與相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)通過法蘭進(jìn)行連接，連接處使用密封圈進(jìn)行密封。參見圖1，所述均流裝置是由管徑大小相同、平行排列的管束組成，從入口的視角看上去呈蜂窩狀，錐形處的管徑按照殼體同樣比例增大。從而使進(jìn)入殼體內(nèi)的換熱工質(zhì)2均勻分布。

本實(shí)施例中，相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)由兩種類型的相變儲(chǔ)熱單元堆積而成，分別是主體相變儲(chǔ)熱單元和邊界相變儲(chǔ)熱單元。主體相變儲(chǔ)熱單元結(jié)構(gòu)參見圖2(a)，包含1個(gè)固體儲(chǔ)熱模塊3和2個(gè)相變儲(chǔ)熱模塊，堆積系統(tǒng)中該單元相對(duì)較多，分布在裝置的大部分區(qū)域，該固體儲(chǔ)熱模塊底端除4個(gè)角落設(shè)有支撐架支撐以形成流體的水平流動(dòng)通道外，為增加單元裝置穩(wěn)定性，較長(zhǎng)邊中間位置處也同樣設(shè)有支撐架。邊界相變儲(chǔ)熱單元參見圖2(b)，包含1個(gè)固體儲(chǔ)熱模塊3和1個(gè)相變儲(chǔ)熱模塊，堆積系統(tǒng)中該單元使用較少，只分布在部分的裝置邊界處。在該單元固體儲(chǔ)熱模塊外殼底端設(shè)有4個(gè)支撐架，該支撐架主要作用為支撐作用以保證上下儲(chǔ)熱單元間可以留有足夠的空間來進(jìn)行換熱。如圖1、圖2(a)、圖2(b)所示，該圖中換熱流體通道5指的是外界換熱介質(zhì)流體進(jìn)入裝置本體內(nèi)，在各儲(chǔ)熱單元間可以流動(dòng)的空間，該空間包含上下層單元間由于設(shè)置支撐架所形成的水平方向上的空隙，和左右儲(chǔ)熱單元間所留出的豎直方向的空隙。

上述的相變儲(chǔ)熱模塊包括相變儲(chǔ)熱內(nèi)殼，內(nèi)殼內(nèi)填充有相變材料，固體儲(chǔ)熱模塊采用固體儲(chǔ)熱材料，固體儲(chǔ)熱模塊包裹在相變儲(chǔ)熱內(nèi)殼外側(cè)。根據(jù)相變材料的工作溫度將相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)有規(guī)律地排列在裝置本體1中，盡量保證裝置本體1內(nèi)的區(qū)域的充分利用。上述的規(guī)律是按照各個(gè)相變材料的熔點(diǎn)和運(yùn)行溫度來設(shè)置。例如：按照熔點(diǎn)由低到高：NaNO₃<NaCl<NaF，那么上端放置的則為NaF熔鹽，中間部分區(qū)域放置的為NaCl熔鹽，而下端區(qū)域單元放置的則為NaNO₃熔鹽。這里不單是三種相變材料儲(chǔ)熱單元的分布，實(shí)際應(yīng)用中只要從上往下排，相變材料的溫度是從高到低即可。所述相變材料可采用潛熱熔鹽儲(chǔ)熱介質(zhì)，固體儲(chǔ)熱材料可采用各類陶瓷坯料。使用上述裝置儲(chǔ)存熱能時(shí)，各相變儲(chǔ)熱單元在保證儲(chǔ)熱要求的同時(shí)，大大地提高了能量的利用效率。

本實(shí)施例保溫系統(tǒng)包括溫控系統(tǒng)、保溫層、輔助加熱裝置，所述保溫層設(shè)置在裝置本體外側(cè)，溫控系統(tǒng)包括控制器以及若干個(gè)用于檢測(cè)當(dāng)前保溫層溫度的溫控傳感器，所述輔助加熱裝置與控制器相連。通過設(shè)置該保溫系統(tǒng)，可便于用戶對(duì)裝置本體外的溫度進(jìn)行穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的原理：針對(duì)相變材料的熔點(diǎn)不同，根據(jù)相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)內(nèi)相變材料熔點(diǎn)的高低，將相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)按照高溫在上低溫在下的順序依次排列組合在裝置本體內(nèi)，從而達(dá)到熱量的梯級(jí)利用的目的，有效提高了整體的儲(chǔ)熱效率。

利用上述裝置實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明關(guān)于相變儲(chǔ)熱單元的模塊化梯級(jí)儲(chǔ)熱方法，包括下述步驟(見圖3)：

(1)儲(chǔ)熱階段。在儲(chǔ)熱過程開始時(shí)，進(jìn)入裝置本體頂部管道的高溫流體經(jīng)過并充滿高溫儲(chǔ)熱相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)，使高溫流體和儲(chǔ)罐間能夠充分進(jìn)行換熱。換熱工質(zhì)經(jīng)高溫區(qū)域后，溫度降低并繼續(xù)與較高溫區(qū)域進(jìn)行換熱，最后流經(jīng)低溫相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)區(qū)域后從裝置本體的底部管道流出。經(jīng)過外部裝置加熱后再繼續(xù)從裝置本體的頂部管道進(jìn)入經(jīng)換熱后從底部管道流出，形成一個(gè)循環(huán)回路。

(2)放熱階段。在放熱過程開始時(shí)，進(jìn)入裝置本體底部管道的低溫流體經(jīng)過并充滿低溫相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)區(qū)域，使低溫流體和儲(chǔ)罐間能夠充分進(jìn)行換熱。換熱工質(zhì)經(jīng)低溫區(qū)域后，溫度升高并繼續(xù)與較高溫區(qū)域進(jìn)行換熱，最后流經(jīng)高溫相變儲(chǔ)熱單元堆積系統(tǒng)區(qū)域后從裝置本體的頂部管道流出。最終得到的高溫工質(zhì)在外部放熱后再繼續(xù)從裝置本體的底部管道進(jìn)入經(jīng)換熱后從頂部管道流出，形成一個(gè)循環(huán)回路。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。