[发明专利]固体储热介质太阳能高温储热系统

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能高温储热系统，尤其涉及一种储热材料为固体的太阳能高温储热系统。

背景技术

太阳能热发电系统的运行受到强烈不稳定的太阳光照的影响和制约，具有强烈的间歇性。为了克服这一困难，太阳能热发电系统中一般带有储热系统。储热系统可将白天的太阳辐照转换为热量储存起来，在太阳辐射不足或无太阳辐照时再把热量释放出来发电。储热系统的引入不仅可以对太阳能“移峰填谷”以延长系统发电时间，而且可以有效地稳定系统运行和提高系统发电效率。目前储热系统的研究主要集中在储热材料和储热方式的选择、以及蓄热系统的整体优化上。

目前可选择的储热方式主要包括三种：显热储热、潜热储热和化学能储热。其中显热储热技术简单成熟，成本较低，在太阳能热发电中应用最广。太阳能热发电中显热储热的储热材料包括液体材料(如熔盐和导热油等)和固体材料(如铸铁、铁矿石、沙土岩石、高温混凝土等)。熔盐具有较强的腐蚀性和较高的凝固温度，对储热系统的管道材料选择和附属设施的设计要求较高。导热油由于物性限制，无法做到高温存储，通常用于400℃以下，且系统成本较高。固体储热材料如混凝土等，具有性能稳定、成本低、储热能力强等优点，是太阳能热利用系统的理想候选储热材料之一。但固体储热材料(除金属外)一般都具有较低的导热系数，不利于储热和放热过程，系统的储热效率对储热系统的整体设计和优化的依赖性很强。

目前基于潜热储热的储热系统主要有两种：双箱储热系统和单箱储热系统。双箱储热系统中有一个热箱和一个冷箱，储热时冷箱内的储热介质(通常为液体介质)吸收热量后被存储在热箱内，放热时热箱内的高温介质把热量释放出来后再回到冷箱。双箱储热系统结构简单，技术成熟，但是由于具有两个储热箱，储热介质也相应增加，导致系统储热成本较高。单箱储热系统只有一个储热箱，使用液体介质的单箱储热又称为温跃层储热，箱内的冷、热流体通过一个厚度较小但温度梯度很大的温跃层(又称为斜温层)分隔开来，储热时温跃层上面的热流体逐渐增加，下面的冷流体逐渐减少，温跃层向下移动，放热时则相反。单箱温跃层储热具有成本较低，储热效率较高的特点。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有储热系统的缺点，提供一种结构简单、成本较低、性能稳定、储热和换热效率高的单箱固体介质太阳能高温储热系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明太阳能高温储热系统采用固体储热材料，在储放热过程中具有温跃层特性。本发明包括多个平板型的储热模块，多个储热模块平行层叠堆积，储热模块之间相互绝热。每个平板型固体储热模块内有供换热流体经过的管道，在管道和储热模块之间的空间里填充有固体储热介质。每个储热模块外侧面都装有一个与模块内管道连通的换热流体的进口管和出口管，进口管和出口管位于平板型模块的同一侧面外，即具有狭长形状的表面外，或不同侧面外。所有相邻储热模块的换热流体管道的进口管和出口管按顺序串联连接，组成串联布置的储热系统。储热系统工作时，换热流体从储热系统进口阀门按串联顺序流经各个储热模块内的管道，并且与储热模块内固体储热介质交换热量，最后从储热系统出口阀门流出，完成储、放热过程。

所述单个平板型储热模块内的换热流体管道按照多层分布、逆流布置的方式布置；每层管道布置方式可以包括多管平行流动方式、单管蛇形流动方式、多管蛇形流动方式等。所涉及的多层分布、逆流布置的管道布置方式，一方面是为了保证换热流体和储热模块内的固体储热介质最大程度的充分换热，尽可能的减小换热流体出口温度与模块平均温度的差别，另一方面是为了保证换热时模块内的温度分布尽量均匀。

所述平板型固体储热模块的固体储热介质内可以嵌入强化传热单元。强化传热单元为使用具有高导热系数的材料，比如金属颗粒、钢渣、铜渣等的颗粒状单元或钢片、铜片、铝片等的片状单元。使用颗粒状单元时，通过掺混使颗粒均匀的分布在固体储热介质内；使用片状单元时，片状单元套接在管道外形成金属翅片或肋片，并使其尽量均匀的分布在固体储热介质内。颗粒状单元和片状单元也可以同时使用。固体储热介质内嵌入强化传热单元是为了克服固体储热介质导热系数低的缺点，进一步促进了储热介质与换热流体的充分换热、以及模块内储热介质温度的均匀分布。

所述平板型固体储热模块外面包裹隔热保温层。隔热保温层一方面是为了避免储热模块向环境的热损失，更重要的是在模块层叠堆积后避免模块间的热交换，实现模块与模块之间绝热。这样可以避免系统运行时温度不相等的相邻模块间的热混合，保证高温模块内的高品质热量能够得到最大限度的有效利用，提高了系统的储热效率。