[发明专利]一种固体储热系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种储热系统，尤其涉及一种太阳能光热利用系统中的储热系统。

背景技术

太阳能是比较理想的新能源，但利用上却存在时效性问题，日照期间所接受的能量超过所需，日落之后却无法发挥作用。因而如何把日照时多余的能量储存起来，以用于日落后系统的持续运行，即取有余以补不足，成为实现太阳能热利用装置连续运行的关键问题。

目前太阳能储存技术中使用的蓄热材料分为：显热型、潜热型和化学反应型3大类，应用较广泛的为显热型和潜热型，主要有导热油、耐高温混凝土、无机盐等。导热油在高温时，易引发火灾，易老化，价格昂贵；耐高温混凝土作为蓄热的固体热媒一直被看好，其蓄热成本大约为$1/kWhthermal（每千瓦时蓄热1美元），有很好的应用前景，安全稳定，成本低廉，但存在导热系数较低，换热管道数量多，温度持续下降，无法获得较高的参数等不足；换热管道与固体材料间由于膨胀系数不同，会在反复升温降温后出现材料破坏或裂缝，对换热效果和使用寿命均产生不良影响；无机盐作为蓄热材料的使用多是利用其较大的相变潜热，但相变材料在储热过程中发生相变，由于体积的变化，容易发生泄漏的隐患。

太阳能储存技术中使用的蓄热按照换热方式分为：通过式换热和原位换热两种方式。在通过式蓄热中，管式换热器被嵌入在铸造陶瓷或混凝土中，高温液体由泵推动从中流过进行蓄热，低温液体从中流过进行取热。Herrmann和Kearney 2002年曾得出：以混凝土为固体热媒、导热油为液体热媒、钢管作换热器的蓄热系统，在1994年的蓄热成本大约为$40/kWhthermal。Laing等在2006年进行了这种蓄热系统的实验，其工作温度上限为325℃，蓄热成本大约为$32/kWhthermal。此外，Laing还进行了用铸造陶瓷作为固体热媒的实验。尽管陶瓷不会产生开裂，但是混凝土产生的最小裂纹相比更小，同时混凝土的成本和强度使其比铸造陶瓷更适合作为固体热媒。Tamme等在2004年使用计算机模型对通过式蓄热中各项参数的影响进行了研究，得出优化后的系统效率可大幅提高。通过式换热技术还包括，常见的双罐技术和斜温层技术，在单罐斜温层蓄热系统中，高温和低温热媒储存在同一个罐子中，使用固体热媒以减少液体热媒的最小用量。高温区和低温区通过液体热媒温度梯度产生的自然浮力分割开（热流体的密度比冷流体低，处在容器的上部）。目前已知的大部分系统都采用固体填料层，其材料包括石英砂，石英岩或者其它细砂石，但反复的加热循环会使填料沉积到容器底部，导致容器壁面产生破坏性的破裂；原位换热技术通常采用的是在混凝土储热介质中布置存热和取热换热管道，换热管道外部不布置液态介质的技术；但由于混凝土储热介质与换热管道的膨胀系数不一致，反复加热循环会在混凝土储热介质与换热管道之间形成缝隙，渗透到该缝隙的空气，减弱了储热介质与换热管道之间的热交换，导致储热效率较低。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种低成本、结构简单、运行可靠、能高效实现热能高品位利用的一种固体储热系统，该系统可应用于各种储热应用系统，特别是太阳能热利用系统。

本发明提供了一种固体储热系统，其特征在于，所述固体储热系统实施无支架整体自支撑布置，包括多个具有独立自支撑结构，且在高度方向上叠加的储热单元；所述储热单元包括规则形状的固体储热介质、固体储热介质中布置的换热管道、储热单元内部填充的液态导热材料及储热单元外部的包覆层；所述液态导热材料在储热单元中仅填充固体储热介质、换热管道、外部包覆层三者之间的缝隙，不参与通过式换热，用于改善换热管道与固体储热介质之间的热传导效果；所述换热管道包括金属管和金属管外部布置的散热管；所述散热管包括基管和翅片，其中所述基管与金属管之间紧密接触；翅片布置于基管上，所述散热管的基管和翅片材料优选为耐腐蚀且导热良好的材料，例如铜、铝或铝合金材质。

进一步地，所述固体储热介质为花岗岩、玄武岩、石英岩、磷石灰、刚玉、玻璃、混凝土。

进一步地，所述固体储热介质为规则形状的长方体、菱形体、圆柱体。

进一步地，所述固体储热介质表面开槽或者固体储热介质贯穿穿孔，形成换热管道槽或换热管道孔。

优选地，所述固体储热介质上、下面分别开半圆槽，多个固体储热介质高度方向上叠加，相邻的两个半圆槽合并形成柱状换热管道槽。