一種基於高效儲放熱單元的中高溫太陽能儲能裝置製造方法
2023-09-21 12:24:35
一種基於高效儲放熱單元的中高溫太陽能儲能裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於高效儲放熱單元的中高溫太陽能儲能裝置，能夠高效利用太陽能，且提供一種結構緊湊，換熱效果好，迅速吸收和釋放熱量，在耐壓、耐高溫和耐腐蝕方面均具有較好性能的儲熱單元。裝置包括能源產出單元，能源轉化利用單元，高溫熔鹽儲熱單元。陽光充足時，富餘的太陽能儲存於儲熱裝置；儲存的熱能可以產生電能，供工業或日常生活所用。本發明的核心在於中高溫熔鹽儲能單元，可以應用到不同的能源產出單元和能源轉化利用單元中，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
—種基於高效儲放熱單元的中高溫太陽能儲能裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及新能源技術與裝備領域，尤其涉及一種基於高效儲/放熱單元的中高溫熔鹽儲熱型太陽能利用系統。
【背景技術】
[0002]進入21世紀，隨著化石燃料的日漸枯竭以及環境汙染的日益嚴重，能源問題已經成為制約我國國民經濟快速發展的瓶頸。而太陽能潔淨無汙染、來源廣泛，開發太陽能對解決能源問題具有重大意義。太陽能熱利用是太陽能利用中的最主要方式，其利用形式具有多樣性，按照其介質達到的溫度，分為低、中、高溫利用。對於太陽能熱利用系統，由於太陽輻射的不穩定性以及太陽能利用時間與接收時間的不一致性，儲熱裝置成了太陽能熱利用系統的重要組成部分，其所採用的形式及所具有的性能直接決定了太陽能熱利用系統的穩定性和中和年綜合利用率。
[0003]目前主要的熔鹽儲熱能源利用系統沒有能夠充分考慮太陽輻射隨時間的變化特性，整體效率低，由於採用熔鹽作為傳熱工質，在運行時需要預熱，還可能由於介質不純淨而出現堵塞的問題，影響傳熱效果，並且儲熱系統的儲熱體換熱面積小，儲熱能力低，在耐壓能力、防腐蝕和耐高溫方面性能表現也不佳，同時設備結構複雜，維修困難，製造成本高。
[0004]目前常見的太陽能中高溫雙罐熔鹽儲熱系統如圖1所以，熔鹽經太陽能接受區加熱後儲存在熱鹽罐，再由熔鹽泵輸入蒸汽發生器，實現與水的換熱，使水汽化後輸入蒸汽渦輪機做功。換熱後的熔鹽輸入冷鹽罐，以備再次循環利用。雖然該系統利用熔鹽作為傳熱儲熱介質實現了太陽能光熱利用，但具有換熱面積小，儲放熱速率低，管路系統需要耐腐蝕材料以及成本聞等缺點。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的不足，本發明要解決的問題是提供能利用一種基於高效儲/放熱單元的中高溫熔鹽儲能型的太陽能利用系統，能夠高效利用太陽能，且提供一種結構緊湊，換熱效果好，儲放熱速率高，在耐壓、耐高溫和耐腐蝕方面均具有較好性能的儲熱單
J Li ο
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種基於高效儲放熱單元的中高溫太陽能儲能裝置，由能源產出單元、能源轉化利用單元和中高溫熔鹽儲能單元組成；
[0008]所述能源產出單元，包括太陽能集熱系統；
[0009]所述能源轉化利用單元，包括蒸發器和渦輪蒸汽機，蒸發器和渦輪蒸汽機連接管道;
[0010]所述中高溫熔鹽儲熱單元,包括一定數量的儲熱罐,每個罐內裝有儲熱介質,並且內插有一定數量的高效儲放熱單元；
[0011 ] 所述儲熱介質可以是質量分數為60 %的硝酸鈉和40 %的硝酸鉀，也可以是其它的相變介質；
[0012]所述高效儲放熱單元有儲熱和蒸發通道，儲熱通道的流動傳熱介質選用導熱油，每個儲熱罐內的所有的儲熱通道的進口和出口安裝有閥，並分別用連接管連通，在連接管連通後的管道上安裝有閥，每個儲熱罐連接管連通後的進口和出口管道分別接人能源產出單元導熱油管道的出口和進口 ；蒸發通道的流動傳熱介質選用蒸汽，每個儲熱罐內的所有的蒸發通道的進口和出口安裝有閥，並分別用連接管連通，在連接管連通後的管道上安裝有閥，每個儲熱罐連接管連通後的進口和出口管道分別接入能源轉化利用單元蒸汽管道的出口和進口；
[0013]所述高效儲放熱單元的兩個通道的對應的兩個蓋板，分別釺焊密封連接圍成矩形通道，兩通道相鄰的蓋板釺焊成一體；
[0014]所述高效儲放熱單元的儲熱通道和蒸發通道的進口和出口分別錯開一定距離；
[0015]所述高效儲放熱單元的材質可為316不鏽鋼或316L不鏽鋼以及其它導熱性能和防腐蝕性能佳的材質；
[0016]作為改進，儲熱通道內設有肋片，肋片可以為矩形，多孔，波紋形，肋片排列方式可為橫排，縱排或傾斜一定角度；
[0017]作為改進，蒸發通道內設有扁管，扁管內壁設有凹槽，凹槽的截面形狀可以為半圓形、三角形，矩形，凹槽可以螺旋分布於管內壁，螺旋凹槽與扁管的管軸的夾角為O?15度。
[0018]作為改進，可以分別在儲熱罐的儲熱介質和能源產出單元的出口管道分布溫度計，用來測量儲熱介質和熱導熱油的溫度；給每個儲熱罐的儲熱和蒸發通道的出口和進口分別安裝流量控制閥，用來控制傳熱工質的流量；
[0019]作為進一步改進，在所述高效儲放熱單元的表面設有若干肋片或鰭片，從而強化換熱；
[0020]優選地，所述太陽能集熱系統可以採用槽式聚光系統、塔式聚光系統或者是菲涅爾透鏡聚光系統。
[0021]優選地，所述能源轉化利用單元可以為蒸汽渦輪機發電、多效蒸發海水淡化系統或多級吸收式製冷系統。
[0022]本發明的有益效果是:
[0023]1.本系統可以用在太陽能熱發電、多級海水淡化和吸收式製冷等多方面，且作為獨立的儲能和供能系統，可以實現獨立工作。
[0024]2.採用多個儲熱罐儲熱可以實現分級儲熱，使某個儲熱罐優先達到工作溫度，能夠更有效的利用太陽能。
[0025]3.多個高效儲放熱單元分別固定在儲熱罐中，更換某一個壞損的儲放熱單元更為方便，每個儲熱/蒸發通道直接採用四個蓋板釺焊而成，加工製造更方便，更節省材料，且每個通道進出口上安裝有閥，更容易檢測出高效儲放熱單元的壞損情況。
[0026]4.高效儲放熱單元的材料採用316或316L不鏽鋼，防腐蝕性能和耐高溫性能更好，外部設有鰭片，能夠增大傳熱面積，強化傳熱，儲熱通道和蒸發通道內部設有肋片和扁管，不僅增大了傳熱面積，還增大了承壓能力，在保證傳熱效率的前提下也使高效儲放熱單元的結構更為緊湊。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是傳統熔鹽儲熱太陽能利用系統圖。
[0028]圖2是本發明實施例的系統流程圖。
[0029]圖3是本發明高效儲放熱單元的結構示意圖。
[0030]圖4是本發明高效儲放熱單元的空間剖視圖。
[0031]圖5是本發明扁管結構示意圖。
【具體實施方式】
[0032]以下將結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。
[0033]如圖2所示，本熔鹽儲熱太陽能利用系統流程分為三個部分，分別為能源產出單元101、中高溫熔鹽儲能單元102和能源轉化利用單元103。各個部分分別如下所述:
[0034]能源產出單元101:在圖1所示的流程圖中能源產出單元101包括太陽能集熱系統104。通過導熱油泵111輸送到太陽能集熱系統104中管道內的導熱油被加熱，並吸收熱量。加熱後的導熱油可以被輸送到能源產出單元103產生高壓蒸汽用來工作，也可以被輸送到中高溫熔鹽儲能單元102以加熱儲熱罐一 112和儲熱罐二 107內的儲熱介質來儲存熱能。太陽能集熱系統104可以是槽式聚光系統，也可以是塔式或者菲涅爾透鏡聚光系統。
[0035]中高溫熔鹽儲能單元102:該系統包括儲熱罐一 112和儲熱罐二 107。儲熱罐內充裝有儲熱介質solar salt 114(質量分數為60%的硝酸鈉和質量分數為40%的硝酸鉀組成)，並分布著一定數量的高效儲放熱單元113。高效儲放熱單元113通過固定在儲熱罐底部和頂部的支架固定，內有兩個通道，儲熱通道和蒸發通道。儲熱罐一 112內的所有的高效儲放熱單元113的儲熱通道入口管道117、儲熱通道出口管道116、蒸發通道入口管道116和蒸發通道出口管道118通過連接管連通，儲熱罐二 107內的通道也如此連接。儲熱和蒸發通道的出口和入口管道上都安裝有閥，用來控制此通道的流通與否。各個連接管連通後的管道也安裝有閥，用來控制連接管的流通與否。儲熱罐一 112和儲熱罐二 107內的儲熱通道出口和入口的連接管分別通過並聯連接到中高溫熔鹽儲能單元102，組成儲熱通道迴路，該迴路以導熱油作為傳熱工質，導熱油在能源產出單元101中吸收熱量，輸送到中高溫熔融鹽儲能單元102中儲熱罐內傳遞熱量給儲熱介質114，導熱油釋放熱量後再輸送到儲油罐119，再由導熱油泵輸入集熱系統形成循環。在此儲熱的過程中，可以通過閥來控制導熱油流向某個儲熱罐，從而實現熱能的分級儲熱。儲熱罐一 112和儲熱罐二 107內的蒸發通道出口和入口的連接管分別通過並聯連接到能源轉化利用單元103，組成蒸發通道的迴路，該迴路以水蒸汽作為傳熱工質，由水泵109輸送水通過除氧器108除氧，進入儲熱罐內的蒸發通道蒸發吸熱形成高壓蒸汽，並輸送到蒸汽渦輪機106做功。
[0036]能源轉化利用單元103:本單元包括有蒸發器105和渦輪蒸汽機106。由能源產出單元101加熱的高溫導熱油輸送到蒸發器產生高壓蒸汽做功。當能源產出單元101提供的熱量不充足時，可以由中高溫熔鹽儲能單元提供。打開儲熱罐內蒸發通道的閥門，蒸發通道內的水吸收儲熱介質114所儲存的能量蒸發形成高壓蒸汽輸送到渦輪蒸汽機106做功。蒸汽通過渦輪蒸汽機106做功之後剩餘的蒸汽和冷卻的水流入儲水箱110，實現水的循環利用。導熱油輸送到蒸發器放熱之後，冷卻的導熱油可以輸到能源產出單元101，從而實現導熱油的循環利用。
[0037]圖3為高效儲放熱單元結構示意圖，高效儲放熱單元113包括鰭片200、儲熱通道201、蒸發通道204、儲熱通道入口接管202、儲熱通道出口接管206、蒸發通道入口接管205、蒸發通道出口接管203。高效儲放熱單元的空間剖視圖如圖4所示，儲熱通道201前後設有蓋板207和209，蒸發通道204前後設有蓋板210和212。儲熱通道入口接管202和儲熱通道出口接管206分別設置在儲熱通道201上部和底部，蒸發通道入口接管205和蒸發通道出口接管203分別設置在蒸發通道204底部和上部。且通道接管分別在儲熱/蒸發換熱器的前後方向上錯開一定距離，以增加流動傳熱介質在通道內的流動時間來強化傳熱。蓋板207和蓋板212上設有肋片200。通道201內部設有縱排的矩形肋片208。肋片200和矩形肋片208增大高效儲放熱單元的換熱面積，而矩形肋片208還增加流體湍動程度，並破壞傳熱邊界層，從而強化傳熱過程使傳熱效率更高。通道204內部設有縱排的扁管211，扁管211可以實現在非穩態、不均勻、高能流密度的太陽能流載荷下工作，焊接方便，能承受一定的壓力，並且扁管內壁設有凹槽，增大換熱面積，強化傳熱。蓋板207和蓋板209，蓋板210和蓋板212以及矩形肋片208和扁管211之間採用真空釺焊方式連接，蓋板207、蓋板209、蓋板210和蓋板212設有折彎部分，這是為了方便焊接，同時也可以作為肋片強化傳熱；儲熱通道入口接管202、儲熱通道出口接管206、蒸發通道入口接管205、蒸發通道出口接管203和通道之間採用普通焊接的連接方式。
[0038]圖5為扁管211結構示意圖。扁管內壁設有凹槽，凹槽繞扁管縱向軸呈圓周分布，兩相鄰凹槽截面圓徑向夾角α，本發明中α為10?30度。若凹槽沿扁管軸向螺旋分布，螺旋凹槽與扁管的管軸的夾角β為O?15度，圖5是β為O度時的特殊情況。扁管外徑Ri和扁管內徑Ro根據蒸發通道確定，且扁管壁厚R1-Ro取3?5毫米。扁管的扁平位置為距中性軸H處，圓形凹槽r取0.5?1.5毫米。
[0039]下面將綜合描述本實施例中高溫太陽能儲能裝置的工作過程:
[0040]如圖2所示，能源產出單元101中太陽能集熱系統104加熱導熱油以吸收熱量，當太陽光充足時，被加熱的導熱油一部分進入能源轉化利用單元103釋放熱量做功，一部分通過管道進入中高溫熔鹽儲能單元102，加熱高溫儲熱介質114以存儲熱量。若太陽光不足以在保證能源轉化利用單元103正常工作的前提下加熱兩個儲熱罐中的高溫儲熱介質114至工作溫度，可以通過管道上的閥來控制使導熱油流過某一儲熱罐，以保證有一個儲熱罐可以正常工作。當太陽光的強度不足以使能源轉化利用單元103正常工作時，開啟蒸發通道迴路，水在蒸發通道中吸收高溫儲熱介質存儲的熱量蒸發並進入能源轉化利用單元103工作。
[0041]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本發明的核心在於中高溫熔鹽儲能單元，可以運用到不同的能源產出單元和能源轉化單元中。本發明的保護範圍包括本發明原理和宗旨的前提下任何替換、變型、改進和潤飾。
【權利要求】
1.一種基於高效儲放熱單元的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:包括能源產出單元，中高溫熔鹽儲能單元，能源轉化利用單元； 所述能源產出單元，包括太陽能集熱系統； 所述中高溫熔鹽儲能單元，包括一定數量的儲熱罐，每個罐內裝有儲熱介質，並且內插有若干數量的高效儲放熱單元； 所述能源轉化利用單元，包括蒸發器和渦輪蒸汽機，所述蒸發器和渦輪蒸汽機通過管道連接。
2.根據權利要求1所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述高效儲放熱單元有兩個通道，儲熱通道和蒸發通道，每個儲熱罐內的儲熱通道和蒸發通道的進口和出口安裝有閥，分別用連接管連通。
3.根據權利要求1或2所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述高效儲放熱單元的兩個通道分別由兩個蓋板釺焊而成，兩個通道的相鄰蓋板釺焊成一體；所述高效儲放熱單元材質為316或316L不鏽鋼，表面上設有若干肋片和鰭片。
4.根據權利要求1或2所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述儲熱通道的進口和蒸發通道的出口，以及儲熱通道的出口和蒸發通道的進口分別在儲熱/蒸發換熱器的前後方向上錯開一定距離；所述高效儲放熱單元的通道內部設有肋片和扁管。
5.根據權利要求1或2所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述儲熱通道內設有肋片，所述肋片為矩形，多孔，波紋形，肋片排列方式為橫排、縱排或傾斜一定角度；所述蒸發通道內設有扁管，扁管內壁設有凹槽，凹槽的截面形狀為半圓形、三角形，矩形，凹槽螺旋分布於管內壁，螺旋凹槽與扁管的管軸的夾角為O?15度，凹槽繞扁管縱向軸呈圓周分布，兩相鄰凹槽截面圓徑向夾角為10?30度。
6.根據權利要求1所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述每個儲熱罐經連接管連通後的儲熱通道的進口和出口，分別和所述能源產出單元的出口和進口連接；所述每個儲熱罐經連接管連通後的蒸發通道的進口和出口，分別和渦輪蒸汽機的出口和進口連接。
7.根據權利要求1所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述儲熱罐的儲熱介質和能源產出單元的出口管道分布溫度計，用來測量儲熱介質和熱導熱油的溫度；給每個儲熱罐的儲熱和蒸發通道的出口和進口分別安裝流量控制閥，用來控制傳熱工質的流量。
8.根據權利要求1所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述能源轉化利用單元是利用蒸汽渦輪機發電系統、多級蒸發海水淡化系統或多級吸收式製冷系統。
9.根據權利要求1所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述儲熱介質是質量分數為60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀，或者是其它相變介質。
10.根據權利要求1所述的中高溫太陽能儲能裝置，其特徵在於:所述太陽能集熱系統採用槽式聚光系統、塔式聚光系統或者菲涅爾透鏡聚光系統。
【文檔編號】F24J2/46GK104236132SQ201410539805
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月13日 優先權日:2014年10月13日
【發明者】彭浩, 凌祥, 李 瑞 申請人:南京工業大學