[发明专利]分体式单罐固体堆积床储热系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种储热系统，尤其涉及一种固体堆积床太阳能储热系统。

背景技术

在太阳能热利用领域，尤其在太阳能热发电领域，由于太阳辐照间断性和分散性的特点，系统的运行具有强烈的不稳定性，进而导致发电出力不稳甚而损坏设备。储热技术能够有效解决热能供需双方在时间和空间上的不匹配问题，所以储热系统是太阳能热利用系统中一个关键的子系统。对于太阳能热发电系统，储热系统可以在太阳能充足的时候将太阳辐照转换成热量存储起来，在太阳能不足或者无太阳辐照的情况下再利用储存起来的热能进行发电。储热系统这种“削峰填谷”的方式不仅延长了系统发电时间，而且稳定了系统的运行，提高了系统的发电效率。

目前，太阳能热发电领域中，比较常见的储热形式有双罐储热和单罐储热两种。双罐储热系统由一个热罐和一个冷罐组成，充热时冷罐内的储热介质(通常为熔融盐、导热油等液体介质)吸收热量后进入热罐储存起来，放热时热罐内的高温介质把热量释放出来之后又回到冷罐。双罐储热系统结构简单，技术成熟，但由于具有两个储热罐，储热介质用量大，当储热介质采用熔融盐、导热油等相对昂贵的液体介质时，系统的成本较高。相比于双罐储热系统，单罐储热系统只有一个储热罐，节省了储热材料的使用量，且一般选择廉价的固体材料作为储热介质，大大降低了储热成本。单罐储热又称为斜温层储热，单罐内的冷、热界面通过一个厚度较小但温度梯度很大的斜温层分隔开来。充热时斜温层上面的热流体逐渐增加，下面的冷流体逐渐减少，斜温层向下移动，放热时则相反。单罐斜温层储热具有成本较低、储热效率较高的优点。

单罐固体堆积床储热系统采用廉价的固体材料作为储热介质，是单罐斜温层储热的一种典型形式。对于单罐固体堆积床储热系统，热棘轮是与循环操作相关的关键现象。在充热过程中，储热罐升温膨胀，内部容积增大，导致填充颗粒下沉去填充由热膨胀制造的多余容积。而在放热过程中，储热罐冷却，但是填充颗粒由于自身重力、来自于颗粒之间挤压而产生的摩擦阻力，从而无法向上移动，这阻止了罐壁收缩回原有的几何尺寸，造成了罐壳中通过重复的循环操作而累计的机械应力。一旦罐壳的应力达到了屈服点，发生塑性变形，再继续循环可能导致罐体结构失效。热棘轮现象是单罐固体堆积床储热系统存在的固有缺陷，应设法避免。

美国专利US4214061报道了一种单罐斜温层储热系统，其特征在于储热罐内填充固体颗粒作为固体储热介质，换热流体在罐内流动时同时作为储热流体，上下流经固体颗粒堆积床，与固体材料直接进行换热，系统运行时罐内温度分布从上至下呈现斜温层特征。但是，此系统运行时斜温层厚度所占罐高度的比例较大，而且固体导热及局部紊流引起的斜温层扩张(即高、低温流体的混合)很难抑制，导致系统运行效率降低；另外，此系统罐体达到一定高度时，内部固体堆积颗粒自重累积很大，在系统循环高温运行过程中，罐壁在循环热应力的作用下不断热胀冷缩，容易发生热棘轮效应，从而导致罐体结构失效。

专利CN102305480A报道了一种带有折流板的单罐斜温层太阳能储热系统。储热罐内布置多个平行的折流板，在折流板的作用下，储热罐内形成一条或多条蛇形的流道。通过在储热罐内加设低导热系数的折流板，有效地增大了换热流体在储热罐内的流程，减少了储热介质的用量，从而降低了储热系统的成本。但是，该系统为一体式单罐储热罐，依然未能解决系统高温运行时容易产生热棘轮效应的问题；且在罐内布置多个平行的折流板，虽然增加了换热流体的流程，但同时也增大罐内流体流动的阻力，增加了可用能的不可逆损失；同时，由于蛇形流道的固定，流体在罐内分布并不均匀，进而有可能导致罐内换热流体和固体储热材料径向温度分布不均的结果。

发明内容

本发明的目的是克服太阳能热利用领域中现有储热系统存在的缺点，提出一种结构简单、成本低廉、系统性能稳定、储热效率高的分体式单罐固体堆积床储热系统。

本发明的太阳能储热系统采用固体储热材料，在充放热过程中具有斜温层特性。