一種太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊的製備方法
2023-05-28 06:04:36
專利名稱：一種太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊的製備方法
技術領域：
本發明涉及儲熱材料模塊，特別是涉及一種太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱 模塊的製備方法。
背景技術：
用於太陽能發電中的儲熱材料應滿足如下要求儲熱材料應有高的能量密度；儲 熱材料與熱交換液體應有良好的熱傳導；儲熱材料應有良好的化學和力學穩定性；儲熱材 料與熱交換器及熱交換液體之間有良好的化學相容性；在儲熱及放熱循環過程中應完全可 逆；低成本。儲熱方案設計是太陽能蒸汽發電中的重要技術，儲熱材料的性能及成本是決 定大型太陽能電廠的建設費用及運行成本的主要因素之一。目前儲熱的方式主要有顯熱儲 熱，相變儲熱及化學反應儲熱。而在目前技術中最成熟且具有商業可行的儲熱方式是顯熱 儲熱。顯熱儲熱又分為液體顯熱和固體顯熱。目前用作太陽能蒸汽發電中的液體儲熱材料主要有熔鹽(KN03、NaN03或兩者的 混合物)。文獻 1 (Kakiuchi ；Hiroyuki ；Oka ；Masahiro, US patent (No. 5567346))報導了 日本學者的美國專利，其中以硫酸鈉，氯化銨，溴化鈉以及硫酸銨為主要原料組成的儲熱材 料。文獻2 (Ross ；Randy，US patent (No. 5685151))的專利則報導了用於太陽能儲熱材料， 主要的成分是氯化鈉。但熔鹽存在著一個非常明顯的缺陷是其較強的腐蝕性，對熱交換管 道及其它附屬設施具有非常強的腐蝕行為，由此增加了電廠的運行成本，亦降低了系統安 全穩定性能。固體儲熱材料由於具有性能穩定、成本低、儲熱能力強等諸多優點，是用於太 陽能蒸汽發電的理想候選儲熱材料之一。文獻3(肖立川，混凝土蓄熱器在太陽能電站中 的應用，江蘇化工學院學報，1991，3(1) 17-23)報告了通過理論計算，證明了混凝土儲熱 材料在太陽能電站中的可行性。文獻4(Doerte Laing, Wolf-Dieter Steinmann, Rainer Tamme, Christoph Richter. Solidmedia thermal storage for parabolic trough power plants, Solar Energy, 2006,80 (10) 1283-1289)禾口文獻 5 (Rainer Tamme, Doerte Laing, Wolf-Deter Steinmann, Advanced thermal energy storagetechnology for parabolic trough, Journal of solar energy engineering，2004，126 :794_800)在研究砂石t昆？疑 土和玄武巖混凝土的基礎上，研究開發耐熱混凝土和鑄造陶瓷等固體儲熱材料，耐高溫 混凝土的骨料主要是氧化鐵，水泥為黏結劑；鑄造陶瓷骨料也主要是氧化鐵，黏結劑包括 氧化招等。文獻 6(Ulf herrmann，David Wearney. Survey of thermal energy storage forparabolic trough power plants[J], Journal of solar energy engineering,2002, 124 145-152)比較比較了幾種儲熱材料的發電成本，認為混凝土材料的成本也是最低的。實際上，太陽能熱發電儲熱材料不僅需要優異的綜合性能，而且需要低成本，很多 情況下運輸成本和製作成本也很重要，文獻4中德國航空航天中心(DLR)所採用的原料是 氧化鋁和氧化鐵，其原料相對價格比較高，而且是採用現場澆注方式，在小規模的在實驗環 節中是可行的，但將來工業化生產時，往往選擇在太陽光日照時間長，輻射強度大的沙漠地 區，因此在很多情況下，要想採用現場澆注的情況不太現實，不僅是沙漠地區缺水，而且沒有交通電力配套設施，其後的養護成本也是非常巨大的。
發明內容
本發明的目的是提供一種太陽能熱發電用預製儲熱材料模塊的製備方法，以便從 儲熱材料的選用來看，採用熱容大、熱導率較高、熱穩定較好的工業廢渣作為集料，既解決 了工業廢渣的環境汙染，又使改性混凝土的體積熱容及熱導率得到明顯提高；從工藝上來 看，不僅成本低，操作方便，可以先在室內預製澆注完成，然後運到現場後組裝，更為重要的 是能夠保證質量。本發明解決其技術問題採用以下的技術方案本發明提供的太陽能熱發電用預製儲熱材料模塊，其結構是由兩個結構相同的 儲熱混凝土塊組成，每個儲熱混凝土塊的內部包含有換熱管，換熱管的外壁具有多個均勻 分布的換熱不鏽鋼肋片，每個儲熱混凝土設有多個貫通的凹形接槽；組裝時，兩個儲熱混凝 土塊的凹形接槽通過連接杆插入後連為一體。本發明提供的上述太陽能熱發電用預製儲熱材料模塊，其製備方法是先將原料 幹混均勻後，按其重量加入4 6 %的水，再混合均勻後置於裝有換熱管的鋼製模具中，24 小時後脫模，在20 25°C溫度下水中養護72小時後，在100 120°C溫度下烘烤24小時 成型。所述原料及其重量含量為玄武巖骨料35 36 %，礦渣35 %，鋁酸鹽水泥6 9 %， 活性氧化鋁粉4 %，矽微粉4 5 %，藍晶石粉6 11 %，天然石墨粉4 5 %。本發明與現有技術相比具有以下主要的優點太陽能熱發電用預製儲熱材料模塊的製備，特別提供了一種以低成本的混凝土 材料為儲熱材料，不鏽鋼耐熱管為導熱材料的儲熱模塊。該模塊不僅施工簡單，價格低 廉，運輸方便而且性能穩定，安全可靠性高。該方法製備的儲熱材料模塊的工作溫度在 200-900 °C。本發明的創新之處在於首先從儲熱材料的選用來看，採用選用玄武巖及銅礦渣、 鋼渣等熱容大、熱導率較高、熱穩定較好的工業廢渣作為集料，既解決了工業廢渣的環境汙 染又使改性儲熱混凝土的體積熱容及熱導率得到明顯提高；從工藝上來看，可以在室內預 制澆注完成，在運到現場後組裝即可，不僅成本低，操作方便，更為重要的是可以實現性能 的可控，工作使用期間如發現問題時，可以及時更換。
圖1為儲熱混凝土模塊的結構示意圖。圖2為帶有肋片的換熱管道的示意圖。圖中1.儲熱混凝土 ；2.連接杆；3.凹形接槽；4.換熱管；5.換熱不鏽鋼肋片。
具體實施例方式本發明提供的太陽能熱發電用預製儲熱材料模塊，其結構如圖1、圖2和圖3所示 由兩個結構相同的儲熱混凝土塊1組成，每個儲熱混凝土塊的內部包含有換熱管2，換熱管 2的外壁具有多個均勻分布的換熱不鏽鋼肋片5，每個儲熱混凝土設有多個貫通的凹形接 槽3 ；組裝時，兩個儲熱混凝土塊的凹形接槽3通過連接杆2插入後連為一體。
所述的儲熱混凝土塊有多個，它們以並聯的方式組成一個大的儲熱體。每個儲熱混凝土塊的橫截面形狀為多邊形，例如為長方形、正方形、正三角形或菱 形。每個儲熱混凝土塊的橫截面形狀為圓形，或橢圓形。所述的換熱管的外壁具有3個呈120度分布的換熱不鏽鋼肋片。本發明提供的上述太陽能熱發電用預製儲熱材料模塊，其製備方法是先將原料 幹混均勻後，按其重量加入4 6%的水，再混合均勻後置於裝有換熱管的鋼製模具中，24 小時後脫模，在20 25°C溫度下水中養護72小時後，在100 120°C溫度下烘烤24小時 成型。所述原料及其重量含量為玄武巖骨料35 36%，礦渣35%，鋁酸鹽水泥6 9%， 活性氧化鋁粉4 %，矽微粉4 5 %，藍晶石粉6 11 %，天然石墨粉4 5 %。所述原料及其重量含量優選為玄武巖骨料35%，鋼渣骨料35%，鋁酸鹽水泥 6 %，活性氧化鋁粉4 %，矽微粉5 %，藍晶石粉11 %，天然石墨粉4 %。所述原料及其重量含量優選為玄武巖骨料36 %，銅礦渣35 %，鋁酸鹽水泥9 %， 活性氧化鋁粉5 %，矽微粉4 %，藍晶石粉6 %，天然石墨粉5 %。本發明製備的儲熱混凝土塊，其技術參數為密度2.9-3.2g/cm3，抗壓強度 40-50MPa,抗折強度6-8MPa,體積熱容120-145kffh/m3,熱導率1. 5-2. 5ff/mK,耐火度 600-900°C，儲熱溫度從 200-650°C。下面結合實施例及附圖對本發明作進一步說明。實施例1 儲熱模塊為長方體，其尺寸為長為1. 5mX0. 8mX0. 8m，換熱管道為耐熱不鏽鋼內 徑為6mm，外徑為12mm，排列方式為，每行4根，分3行排列，間距為10mm，儲熱混凝土的組 成為玄武巖骨料37 %，銅礦渣33 %，鋁酸鹽水泥8 %，活性氧化鋁粉5 %，矽微粉5 %，藍 晶石粉7%，天然石墨粉5%。原料經幹混均勻後，加5%的水，混合均勻後置於裝有換熱管 道的鋼模模具中，24小時後脫模，在20-25°C溫度下水中養護72小時後，在100-120°C溫度 下烘烤24小時。儲熱材料的密度為2. 86g/cm3,混凝土材料的抗壓強度60. 8MPa,抗折強度 10. 2MPa,綜合熱分析儀上測得體積熱容125kWh/m3，熱導率1. 88ff/mK,耐火度800°C。當 需要大體積儲熱混凝土材料時，如10個模塊，可以通過並聯的方式將若干個模塊拼接在一 起，主要是靠模塊的兩端的凹槽部分由連接杆固定在一起，以熱蒸汽為傳熱介質，環境溫度 為30°C，通過經過50分鐘後，測定出口溫度和進口溫度幾乎相等，表明已達到換熱的平衡。 經過1000小時後，發現每個換熱模塊形狀完好，未發現模塊中的儲熱材料有裂紋，模塊中 管道和儲熱混凝土之間的結合完好，無明顯的脫落剝離現象。實施例2 儲熱模塊為長方體，其尺寸為長為1. 5mX0. 8mX0. 8m，換熱管道為耐熱不鏽鋼內 徑為6mm，外徑為12mm，排列方式為，每行4根，分3行排列，間距為10mm，玄武巖骨料35%， 鋼渣骨料35 %，鋁酸鹽水泥6 %，活性氧化鋁粉4 %，矽微粉5 %，藍晶石粉11 %，天然石墨粉 4%。原料經配料幹混均勻後，加5. 5%的水，混合均勻後置於裝有換熱管道的鋼模模具中， 24小時後脫模，在20-25°C溫度下水中養護72小時後，在100-120°C溫度下烘烤24小時。 儲熱材料的密度為2. 96g/cm3,材料的抗壓強度70. 2MPa,抗折強度o b = 11. 5MPa,體積熱 容128kWh/m3，熱導率1. 82ff/mK,耐火度900°C。當需要大體積儲熱混凝土材料時，如15個模塊，可以通過並聯的方式將若干個模塊拼接在一起，主要是靠模塊的兩端的凹槽部分由 連接杆固定在一起，以熱蒸汽為傳熱介質，環境溫度為2°C，通過經過140分鐘後，測定出口 溫度和進口溫度幾乎相等，表明已達到換熱的平衡。經過1000小時後，發現每個換熱模塊 形狀完好，未發現模塊中的儲熱材料有裂紋，模塊中管道和儲熱混凝土之間的結合完好，無 明顯的脫落剝離現象。實施例3 儲熱模塊為長方體，其尺寸為長為1. 6mX0. 85mX0. 85m，換熱管道為耐熱不鏽鋼 內徑為6mm，外徑為12mm，排列方式為，每行4根，分3行排列，間距為10mm，儲熱混凝土的 組成為玄武巖骨料36 %，銅礦渣35 %，鋁酸鹽水泥9 %，活性氧化鋁粉5 %，矽微粉4 %，藍 晶石粉6%，天然石墨粉5%。原料經幹混均勻後，加5%的水，混合均勻後置於裝有換熱管 道的鋼模模具中，24小時後脫模，在20-25°C溫度下水中養護72小時後，在100-120°C溫度 下烘烤24小時。儲熱材料的密度為2. 86g/cm3,混凝土材料的抗壓強度62. 9MPa,抗折強度 11. 3MPa，綜合熱分析儀上測得體積熱容130kWh/m3，熱導率1. 95W/mK，耐火度800°C。當 需要大體積儲熱混凝土材料時，如18個模塊，可以通過並聯的方式將若干個模塊拼接在一 起，主要是靠模塊的兩端的凹槽部分由連接杆固定在一起，以熱蒸汽為傳熱介質，環境溫度 為零下5°C，通過經過60分鐘後，測定出口溫度和進口溫度幾乎相等，表明已達到換熱的平 衡。經過1000小時後，發現每個換熱模塊形狀完好，未發現模塊中的儲熱材料有裂紋，模塊 中管道和儲熱混凝土之間的結合完好，無明顯的脫落剝離現象。儲熱材料中沒有發現明顯 的結冰和腐蝕現象。實施例4:儲熱模塊為長方體，其尺寸為長為1. 8mX0. 85mX0. 85m，換熱管道為耐熱不鏽鋼 內徑為8mm，外徑為15mm，排列方式為，每行4根，分3行排列，間距為10mm，儲熱混凝土的 組成為玄武巖骨料35 %，銅礦渣35 %，鋁酸鹽水泥10 %，活性氧化鋁粉4 %，矽微粉4 %， 藍晶石粉8%，天然石墨粉4%。原料經幹混均勻後，加5%的水，混合均勻後置於裝有換熱 管道的鋼模模具中，24小時後脫模，在20-25°C溫度下水中養護72小時後，在100-120°C溫 度下烘烤24小時。儲熱材料的密度為2. 96g/cm3,混凝土材料的抗壓強度65. 8MPa,抗折強 度12. 4MPa,綜合熱分析儀上測得體積熱容138kWh/m3，熱導率2. Olff/mK,耐火度800°C。當 需要大體積儲熱混凝土材料時，如20個模塊，可以通過並聯的方式將若干個模塊拼接在一 起，主要是靠模塊的兩端的凹槽部分由連接杆固定在一起，以熱蒸汽為傳熱介質，環境溫度 為零下5°C，通過經過45分鐘後，測定出口溫度和進口溫度幾乎相等，表明已達到換熱的平 衡。經過1000小時後，發現每個換熱模塊形狀完好，未發現模塊中的儲熱材料有裂紋，模塊 中管道和儲熱混凝土之間的結合完好，無明顯的脫落剝離現象。儲熱材料中沒有發現明顯 的結冰和腐蝕現象。實施例5 儲熱模塊為長方體，其尺寸為長為1. 7mX0. 9mX0. 9m，換熱管道為耐熱不鏽鋼內 徑為8mm，外徑為15mm，排列方式為，每行4根，分4行排列，間距為10mm，儲熱混凝土的組 成為玄武巖骨料36 %，銅礦渣35 %，鋁酸鹽水泥7 %，活性氧化鋁粉5 %，矽微粉4 %，藍 晶石粉8%，天然石墨粉5%。原料經幹混均勻後，加5%的水，混合均勻後置於裝有換熱管 道的鋼模模具中，24小時後脫模，在20-25°C溫度下水中養護72小時後，在100-120°C溫度下烘烤24小時。儲熱材料的密度為2. 88g/cm3,混凝土材料的抗壓強度62. 4MPa,抗折強度 11. 6MPa,綜合熱分析儀上測得體積熱容140kWh/m3，熱導率1. 96ff/mK,耐火度800°C。當 需要大體積儲熱混凝土材料時，如30個模塊，可以通過並聯的方式將若干個模塊拼接在一 起，主要是靠模塊的兩端的凹槽部分由連接杆固定在一起，以熱蒸汽為傳熱介質，環境溫度 為10°C，通過經過30分鐘後，測定出口溫度和進口溫度幾乎相等，表明已達到換熱的平衡。 經過1000小時後，發現每個換熱模塊形狀完好，未發現模塊中的儲熱材料有裂紋，模塊中 管道和儲熱混凝土之間的結合完好，無明顯的脫落剝離現象。儲熱材料中沒有發現明顯的 結冰和腐蝕現象。
權利要求
一種太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊，其特徵在於該模塊由兩個結構相同的儲熱混凝土塊組成，每個儲熱混凝土塊的內部包含有換熱管，換熱管的外壁具有多個均勻分布的換熱不鏽鋼肋片，每個儲熱混凝土設有多個貫通的凹形接槽；組裝時，兩個儲熱混凝土塊的凹形接槽通過連接杆插入後連為一體。
2.根據權利要求1所述的太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊，其特徵在於該 模塊有多個，它們以並聯的方式組成一個大的儲熱體。
3.根據權利要求1所述的太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊，其特徵在於每 個儲熱混凝土塊的橫截面形狀為多邊形。
4.根據權利要求3所述的太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊，其特徵在於所 述多邊形為長方形、正方形、正三角形或菱形。
5.根據權利要求1所述的太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊，其特徵在於每 個的橫截面形狀為圓形或橢圓形。
6.根據權利要求1所述的太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊，其特徵在於換 熱管的外壁具有3個呈120度分布的換熱不鏽鋼肋片。
7.一種太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊的製備方法，其特徵是採用以下方法 製備權利要求1至5中任一權利要求所述的儲熱混凝土塊先將原料幹混均勻後，按其重量 加入4 6%的水，再混合均勻後置於裝有換熱管道的鋼製模具中，24小時後脫模，在20 25°C溫度下水中養護72小時後，在100 120°C溫度下烘烤24小時；所述原料及其重量含量為玄武巖骨料35 36 %，礦渣35 %，鋁酸鹽水泥6 9 %，活 性氧化鋁粉4%，矽微粉4 5%，藍晶石粉6 11 %，天然石墨粉4 5%。
8.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵是所述原料及其重量含量為玄武巖骨料35%，鋼渣骨料35 %，鋁酸鹽水泥6 %，活性氧化鋁粉4 %，矽微粉5 %，藍晶石粉11 %，天然 石墨粉4%。
9.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵是所述原料及其重量含量為玄武巖骨料36%，銅礦渣35 %，鋁酸鹽水泥9 %，活性氧化鋁粉5 %，矽微粉4 %，藍晶石粉6 %，天然石墨 粉5%。
10.根據權利要求7所述的製備方法，其特徵是所述儲熱混凝土塊的技術參數為密 度2. 9-3. 2g/cm3,抗壓強度40_50MPa，抗折強度6_8MPa，體積熱容120_145kWh/m3，熱導率 1. 5-2. 5ff/mK,耐火度 600-900°C，儲熱溫度從 200_650°C。
全文摘要
本發明太陽能熱發電用混凝土材料預製儲熱模塊是由兩個結構相同的儲熱混凝土塊組成，每個儲熱混凝土塊的內部包含有換熱管，換熱管的外壁具有多個均勻分布的換熱不鏽鋼肋片，每個儲熱混凝土設有多個貫通的凹形接槽；組裝時，兩個儲熱混凝土塊的凹形接槽通過連接杆插入後連為一體。本發明製備方法是先將原料幹混均勻後，按其重量加入4～6％的水，再混合均勻後置於裝有換熱管的鋼製模具中，24小時後脫模，在20～25℃溫度下水中養護72小時後，經烘乾成型；所述原料為玄武巖骨料、礦渣、鋁酸鹽水泥、活性氧化鋁粉、矽微粉、藍晶石粉和天然石墨粉。本發明具有施工簡單、成本低、運輸方便和性能穩定等優點。
文檔編號C04B14/04GK101876487SQ200910272708
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者周衛兵, 朱教群, 童雨舟, 郭成州, 黎錦清 申請人:武漢理工大學