CN205714614U - 一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热技术与系统，旨在解决太阳能热发电储热系统储热密度低、体积大和投资高的问题。白天太阳光照射充足时，控制一次传热流体泵和二次传热流体泵，使一次传热流体将聚集的部分太阳能热用于加热发电循环工质进行发电，另一部分热先加热二次传热流体，实现显热储热，再经相变储热单元实现相变热存储；在夜间或无光照时，通过阀门控制一次和二次传热流体的流向，将二次传热流体和相变储热材料储存的热量按能级释放并传递给发电循环工质，保证发电持续稳定进行；本实用新型将相变储热和流体显热储热技术结合，实现光热的梯级存储利用，热能利用率高、投资低、系统运行灵活性强，可大规模推广使用。
Description
技术领域
本实用新型涉及太阳能技术领域、热能工程和材料技术，具体是一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，可应用于各类太阳能热发电系统。
背景技术
太阳能规模化利用包括光伏发电和光热利用，其中光热利用技术又包括太阳能热发电技术和非发电的太阳能热利用技术。本实用新型涉及太阳光热发电技术，由于太阳辐射的间隙性，太阳能热发电需要与储热技术结合，以实现连续稳定可调的高品质电能的提供。太阳能光热发电根据集热方式不同可分为槽式、塔式或碟式，碟式技术的聚光比高，但只适用于小型热发电系统；槽式技术聚光比较低，适用于中小型热发电应用；塔式技术的聚光比结于碟式和槽式之间，适用于大型热发电应用。
由于储热技术在太阳能热发电中的关键作用，过去数十年的研究已经产生一系列相关技术，例如已经有规模化应用的基于导热油和熔盐的双罐显热储热技术，但这类技术储热密度低、体积庞、投资高，而且储热介质最高使用温度往往不能满足高效率太阳能热发电电站的要求，因此，近年来针对太阳能热发电储热的技术研究一直是热点。专利CN201020541167.6提出了一种集热、储热及供热一体化槽式太阳能中高温热利用装置，槽式聚光镜采用单轴跟踪方式，把太阳辐射聚集在储热层底部的吸热面，吸热面吸收的热量加热储热层内的储热材料，储热材料加热流经供热管内的热流体向外供热；专利CN201010526161.6提出了一种太阳能热发电系统，采用饱和水/饱和蒸汽进行蓄热，蓄热器同时是蒸汽发生器，与传统的高低温两个蓄热系统相比，蓄热系统更为简单，可实现系统全天候运行，达到减少了动力设备启停次数，延长使用寿命的目的；专利CN201210049150.2公开了一种太阳能热发电系统及其高温储能装置，通过将导热介质导流重新分配蜂窝状储热层的温区分布并贮存热能，在夜间或太阳光照不足的情况下释放热能输入热交换装置产生蒸汽推动发电机发电，实现全天候太阳能热发电。以上这些专利介绍的技术不能解决储热密度低、体积庞大和投资高的问题，也不能满足未来高温太阳能热发电对储热介质时用温度的要求。
实用新型内容
本实用新型提供一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，以解决目前太阳能热发电储热系统储热密度低、体积庞大和投资高等问题。本实用新型所述的基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热技术与系统，包括集热单元、换热单元、储热单元和发电单元；
所述集热单元可以是基于槽式、塔式、碟式或其它集热技术，包括聚光镜、集热装置以及一次传热流体；所述聚光镜和集热装置分别用于聚集太阳能的热量并将所集聚的热传递给一次传热流体；所述一次传热流体通过其流动将热传递给换热单元和储热单元；
所述换热单元包括三通阀、一次传热流体-二次传热流体换热器、一次传热流体泵、膨胀罐和一次传热流体-发电循环工质换热器；所述三通阀有2个，分别位于集热单元的两端，用于控制一次传热流体的分流流向；所述一次传热流体-二次传热流体换热器位于集热单元和储热单元之间，用于实现一次传热流体和二次传热流体的换热功能；所述一次传热流体泵位于集热单元前端并与三通阀并联，主要为一次传热流体的输送提供动力；所述膨胀罐位于一次传热流体泵和一次传热流体-发电循环工质换热器之间，用于吸收管路中一次传热流体因温度变化而产生的体积膨胀，防止管路出现较大的压力变化；所述一次传热流体-发电循环工质换热器位于膨胀罐前端，用于实现一次传热流体与发电循环工质的换热功能；
所述储热单元包括二次传热流体子单元和复合相变储热子单元；所述二次传热流体子单元包括高温二次传热流体储罐、高温二次传热流体泵、两个二通阀、低温二次传热流体泵和低温二次传热流体储罐；所述高温二次传热流体储罐和高温二次传热流体泵位于一次传热流体-二次传热流体换热器的前端，分别用于存储和输运高温二次传热流体；所述低温二次传热流体泵和低温二次传热流体储罐位于一次传热流体-二次传热流体换热器的后端，用于存储和输运低温二次传热流体；所述二通阀有2个，分别与高温二次传热流体泵和低温二次传热流体泵并联，用于调节二次传热流体的流向；所述复合相变储热子单元位于一次传热流体-二次传热流体换热器的后端，内含定型复合结构相变储热材料模块，用于存储由一次传热流体通过一次传热流体-二次传热流体换热器传给二次传热流体的热，以实现梯级储热功能；所述复合结构相变储热材料模块内部包含夹层通道，用于二次传热流体在其内部流动，实现换热功能；
所述发电单元包括发电循环工质泵和发电装置；所述发电循环工质泵位于一次传热流体-发电循环工质换热器和发电装置之间，用于为发电循环工质增压，提供循环动力；所述发电装置包括发电工质膨胀机、发电机和控制装置用于实现发电功能；发电循环工质经一次传热流体-循环工质换热器加热后汽化过热，驱动膨胀机并带动发电机发电，膨胀后的循环工质冷凝后回流至循环工质泵实现循环利用。
优选的，所述一次传热流体为熔融盐或高温导热油；所述熔融盐包括使用温度介于100-500℃的硝酸盐配方，或使用温度介于350-850℃的碳酸盐配方；所述高温导热油的使用温度介于100-400℃。
优选的，所述二次传热流体为熔融盐，包括使用温度介于100-500℃的硝酸盐配方，或温度介于350-850℃的碳酸盐配方。
优选的，所述二次传热流体既是传热流体，也是显热储热介质，满足少部分热量存储要求，大部分热由复合相变储热材料存储。
优选的，所述复合相变储热材料由液-固或固-固相变材料、骨架材料以及导热增强剂三种组分构成；所述相变材料包括无机相变储热材料、定型有机相变储热材料或它们的组合，其相变温度介于100-850℃之间；所述骨架材料包括无机氧化物、金属材料、有机材料或它们之间的组合，它们与相变材料以物理化学相容，并于导热增强剂化学相容；所述导热增强剂的导热系数高于相变材料和骨架材料，包括无机氧化物、金属、碳材料或碳化硅。
优选的，所述复合相变储热材料模块之间的流体通道截面为方形、矩形、圆形、椭圆形、梯形、或它们之间的组合。
优选的，所述复合相变储热材料模块之间的流体通道可以是直的、弯的、变截面或它们之间的组合。
优选的，所述复合相变储热材料模块之间或内部可以可包金属翅片、金属网或金属钉，用于进一步强化传热。
优选的，所述发电循环工质包括水和有机工质。
优选的，所说储热过程中一次传热流体首先加热而二次传热流体，再加热复合相变储热材料，实现热的梯级存储。
优选的，所说释热过程中发电循环工质首先由复合储热材料加热，再由二次传热流体过热，实现热的梯级释放。
本实用新型的有益效果为：在白天太阳光照射充足时，通过控制一次传热流体泵和二次传热流体泵，使一次传热流体将聚集的太阳能热的一部分用于加热发电循环工质进行发电，另一部分热先加热二次传热流体，实现显热储热，再经过相变储热单元实现相变热存储；在夜间或无阳光照射时，通过阀门控制一次和二次传热流体的流向，将二次传热流体和相变储热材料储存的热量按能级释放并传递给发电循环工质，保证发电的持续稳定进行；本实用新型将相变储热和流体显热储热技术相结合，可实现光热的梯级存储和梯级利用，达到提高热能利用率、降低投资、提高系统运行灵活性的目的，适宜大规模推广使用。
附图说明
图1是为本实用新型具体实施提供的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统的结构示意图。
图中：
1、集热单元；2，11、三通阀；3、一次传热流体-二次传热流体换热器；4、高温二次传热流体储罐；5、高温二次传热流体泵；6，8、二通阀；7、低温二次传热流体泵；9、低温二次传热流体储罐；10、复合相变储热子单元；12、一次传热流体泵；13、膨胀罐；14、发电循环工质泵；15、一次传热流体-发电循环工质换热器；16、发电装置
具体实施方式
图1是本实用新型具体实施方式提供的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统的结构示意图，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
本实用新型的具体实施方式为：在白天太阳光照射充足时，开启一次传热流体泵(12)、低温二次传热流体泵(7)和二通阀(6)，关闭高温二次传热流体泵(5)和二通阀(8)，调节三通阀(2)和三通阀(11)，使得集热单元(1)、换热单元和储热单元连通；一次传热流体将从集热单元(1)吸收的热量传递至一次传热流体-二次传热流体换热器(3)和一次传热流体-发电循环工质换热器(15)；对于储热子系统，低温二次传热流体储罐(9)内的低温二次传热流体通过低温二次传热流体泵(7)与一次传热流体-二次传热流体换热器(3)换热后进行显热储热，并存储于高温二次传热流体储罐(4)中；经过一次传热流体-二次传热流体换热器(3)后的一次传热流体温度降低，并将部分热量传递至复合相变储热子单元(10)中，实现复合相变储热子单元(10)内的储热材料的相变储热，通过控制三通阀(11)回流至集热单元(1)，实现循环；对于换热单元，发电循环工质泵(14)将发电循环工质送入一次传热流体-发电循环工质换热器(15)换热后汽化和过热，推动膨胀机，并带动发电机发电；当夜间或无日照时段，开启一次传热流体泵(12)、高温二次传热流体泵(5)和二通阀(8)，关闭低温二次传热流体泵(7)和二通阀(6)，调节三通阀(2)和三通阀(11)，使得换热单元和储热单元连通；此时一次传热流体泵(12)驱动一次传热流体先经过复合相变储热子单元(10)，提升其温度；同时高温二次传热流体储罐(4)内的高温二次传热流体在高温二次传热流体泵(5)的驱动下，通过一次传热流体-二次传热流体换热器(3)，加热一次传热流体，进一步提升其温度，二次传热流体在此过程中温度降低，存储于低温而此传热流体储罐(9)中；加热后的一次传热流体通过一次传热流体-发电循环工质换热器(15)将热量传递给发电单元的循环工质，使其汽化和过热，推动汽轮机发电，实现供电的持续稳定。由于同时使用相变潜热储热和显热储热，有利于实现热能的梯级存储和梯级利用；由于相变储热材料高储热密度和优良导热性能，储热材料用量可显著降低；由于熔融盐量的减少，储罐容量可大幅度减少。
以使用联苯-联苯醚共熔共沸混合物作为一次传热流体、硝酸钠-硝酸钾体系作为二次传热流体的某50MW槽式太阳能热发电系统为例，考虑储热时间为7.5小时，若只采用熔融盐进行显热储热，，则总储热量约1300MWh，在槽式发电系统的工作温度范围内(292-386℃)，硝酸钠-硝酸钾体系的储热密度为131.6kJ/kg，熔融盐的使用量约3.56万吨，如果按4000元/吨计算，储热材料投资约14240万元；若采用本实用新型所述的基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热技术与装置，并考虑30％的显热储热和70％的潜热储热，由于相变储热材料的储热密度可达240kJ/kg，，则显热-潜热平均储热密度为207kJ/kg，总储热材料用量可降低30％，储热材料成本降低约15％。
本实用新型是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的指导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求内的实施例都属于本实用新型保护的范围。
Claims (10)
1.一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，包括集热单元(1)、换热单元、储热单元和发电单元，其特征在于：所述集热单元(1)可以是基于槽式、塔式或碟式集热技术，包括聚光镜、集热装置以及一次传热流体；所述聚光镜和集热装置分别用于聚集太阳能热和将所集聚的热传递给一次传热流体；所述一次传热流体通过其流动将热量传递给换热单元和储热单元；
所述换热单元包括三通阀(2)、一次传热流体-二次传热流体换热器(3)、三通阀(11)、一次传热流体泵(12)、膨胀罐(13)和一次传热流体-发电循环工质换热器(15)；所述三通阀(2)和三通阀(11)分别位于集热单元(1)的两端，用于控制一次传热流体的分流流向；所述一次传热流体-二次传热流体换热器(3)位于集热单元(1)和储热单元之间，用于实现一次传热流体和二次传热流体之间的换热功能；所述一次传热流体泵(12)位于集热单元(1)前端并与三通阀(11)并联，主要为一次传热流体的输送提供动力；所述膨胀罐(13)位于一次传热流体泵(12)和一次传热流体-发电循环工质换热器(15)之间，用于吸收管路中一次传热流体因温度变化而产生的体积膨胀，防止管路有大的压力变化；所述一次传热流体-发电循环工质换热器(15)位于膨胀罐(13)前端，用于实现一次传热流体与发电单元(16)中发电循环工质的换热功能；
所述储热单元包括二次传热流体子单元和复合相变储热子单元(10)；所述二次传热流体子单元包括高温二次传热流体储罐(4)、高温二次传热流体泵(5)、二通阀(6)、低温二次传热流体泵(7)、二通阀(8)和低温二次传热流体储罐(9)；所述高温二次传热流体储罐(4)和高温二次传热流体泵(5)位于一次传热流体-二次传热流体换热器(3)的前端，分别用于存储和输运高温二次传热流体；所述低温二次传热流体泵(7)和低温二次传热流体储罐(9)位于一次传热流体-二次传热流体换热器(3)的后端，用于存储和输运低温二次传热流体；所述二通阀(6)和二通阀(8)分别与高温二次传热流体泵(5)和低温二次传热流体泵(7)并联，用于调节二次传热流体的流向；所述复合相变储热子单元(10)位于一次传热流体-二次传热流体换热器(3)的后端，内含定型复合结构相变储热材料模块，用于存储由一次传热流体通过一次传热流体-二次传热流体换热器(3)传给二次传热流体的热量，以实现梯级储热功能；所述复合结构相变储热材料模块内部包含夹层通道，用于二次传热流体在其内部流动，实现换热功能；
所述发电单元包括发电循环工质泵(14)和发电装置(16)；所述发电循环工质泵(14)位于一次传热流体-发电循环工质换热器(15)和发电装置(16)之间，用于为发电循环工质增压，提供循环动力；所述发电装置(16)包括发电工质膨胀机、发电机和控制装置用于实现发电功能；所述发电循环工质经一次传热流体-循环工质换热器(15)加热后汽化并过热，驱动膨胀机并带动发电机发电，膨胀后的循环工质冷凝后回流至发电循环工质泵(14)实现循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述一次传热流体为熔融盐或高温导热油；所述熔融盐包括使用温度介于100-500℃的硝酸盐配方，或使用温度介于350-850℃的碳酸盐配方；所述高温导热油的使用温度介于100-400℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述二次传热流体为熔融盐，包括使用温度介于100-500℃的硝酸盐配方，或使用温度介于350-850℃的碳酸盐配方。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述二次传热流体既是传热流体，也是显热储热介质，满足一部分热量存储要求，大部分热量由复合相变储热材料存储。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述复合相变储热材料由液-固或固-固相变材料、骨架材料以及导热增强剂三种组分构成；所述相变材料包括无机相变储热材料、定型有机相变储热材料或两者组合，其相变温度介于100-850℃之间；所述骨架材料包括无机氧化物、金属材料、有机材料或它们之间的组合；所述导热增强剂的导热系数高于相变材料和骨架材料，包括无机氧化物、金属和碳化硅。
6.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述复合相变储热材料模块之间的流体通道截面为方形、矩形、圆形、椭圆形、梯形或它们之间的组合。
7.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述复合相变储热材料模块之间的流体通道可以是直的、弯的、变截面或它们之间的组合。
8.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述复合相变储热材料模块之间或内部包含金属翅片、金属网或金属钉，用于进一步强化传热。
9.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述发电循环工质包括水和有机工质。
10.根据权利要求1所述的一种基于复合相变储热材料的太阳能热发电储热系统，其特征在于：所述储热过程中一次传热流体首先加热二次传热流体，再加热复合相变储热材料，实现热的梯级存储；所述释热过程中发电循环工质首先由复合储热材料加热，再由二次传热流体过热，实现热的梯级释放。
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