一種固體儲熱系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種固體儲熱系統(tǒng)，所述固體儲熱系統(tǒng)實施無支架整體自支撐布置，包括多個具有獨立自支撐結(jié)構(gòu)，且在高度方向上疊加的儲熱單元；所述儲熱單元包括規(guī)則形狀的固體儲熱介質(zhì)、固體儲熱介質(zhì)中布置的換熱管道、儲熱單元外部的包覆層以及它們?nèi)咧g的縫隙填充的液態(tài)導(dǎo)熱材料；所述換熱管道包括金屬管和金屬管外部布置的散熱管；所述散熱管包括基管和翅片，其中所述基管與金屬管之間緊密接觸；翅片布置于基管上。本實用新型的固體儲熱系統(tǒng)具有整體自支撐能力，加工簡單、成本低廉；固體儲熱介質(zhì)具有良好的換熱效率、優(yōu)良的儲熱性能，可應(yīng)用于各種儲熱應(yīng)用中，特別是太陽能光熱利用系統(tǒng)。
【專利說明】一種固體儲熱系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種儲熱系統(tǒng)，尤其涉及一種太陽能光熱利用系統(tǒng)中的儲熱系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能是比較理想的新能源，但利用上卻存在時效性問題，日照期間所接受的能量超過所需，日落之后卻無法發(fā)揮作用。因而如何把日照時多余的能量儲存起來，以用于日落后系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，即 取有余以補(bǔ)不足，成為實現(xiàn)太陽能熱利用裝置連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵問題。
[0003]目前太陽能儲存技術(shù)中使用的蓄熱材料分為:顯熱型、潛熱型和化學(xué)反應(yīng)型3大類，應(yīng)用較廣泛的為顯熱型和潛熱型，主要有導(dǎo)熱油、耐高溫混凝土、無機(jī)鹽等。導(dǎo)熱油在高溫時，易引發(fā)火災(zāi)，易老化，價格昂貴；耐高溫混凝土作為蓄熱的固體熱媒一直被看好，其蓄熱成本大約為$l/kWhthermal (每千瓦時蓄熱I美元)，有很好的應(yīng)用前景，安全穩(wěn)定，成本低廉，但存在導(dǎo)熱系數(shù)較低，換熱管道數(shù)量多，溫度持續(xù)下降，無法獲得較高的參數(shù)等不足；換熱管道與固體材料間由于膨脹系數(shù)不同，會在反復(fù)升溫降溫后出現(xiàn)材料破壞或裂縫，對換熱效果和使用壽命均產(chǎn)生不良影響；無機(jī)鹽作為蓄熱材料的使用多是利用其較大的相變潛熱，但相變材料在儲熱過程中發(fā)生相變，由于體積的變化，容易發(fā)生泄漏的隱患。
[0004]太陽能儲存技術(shù)中使用的蓄熱按照換熱方式分為:通過式換熱和原位換熱兩種方式。在通過式蓄熱中，管式換熱器被嵌入在鑄造陶瓷或混凝土中，高溫液體由泵推動從中流過進(jìn)行蓄熱，低溫液體從中流過進(jìn)行取熱。Herrmann和Kearney 2002年曾得出:以混凝土為固體熱媒、導(dǎo)熱油為液體熱媒、鋼管作換熱器的蓄熱系統(tǒng)，在1994年的蓄熱成本大約為$40/kWhthermal。Laing等在2006年進(jìn)行了這種蓄熱系統(tǒng)的實驗,其工作溫度上限為325°C,蓄熱成本大約為$32/kWhthermal。此外，Laing還進(jìn)行了用鑄造陶瓷作為固體熱媒的實驗。盡管陶瓷不會產(chǎn)生開裂，但是混凝土產(chǎn)生的最小裂紋相比更小，同時混凝土的成本和強(qiáng)度使其比鑄造陶瓷更適合作為固體熱媒。Tamme等在2004年使用計算機(jī)模型對通過式蓄熱中各項參數(shù)的影響進(jìn)行了研究，得出優(yōu)化后的系統(tǒng)效率可大幅提高。通過式換熱技術(shù)還包括，常見的雙罐技術(shù)和斜溫層技術(shù)，在單罐斜溫層蓄熱系統(tǒng)中，高溫和低溫?zé)崦絻Υ嬖谕粋€罐子中，使用固體熱媒以減少液體熱媒的最小用量。高溫區(qū)和低溫區(qū)通過液體熱媒溫度梯度產(chǎn)生的自然浮力分割開(熱流體的密度比冷流體低，處在容器的上部)。目前已知的大部分系統(tǒng)都采用固體填料層，其材料包括石英砂，石英巖或者其它細(xì)砂石，但反復(fù)的加熱循環(huán)會使填料沉積到容器底部，導(dǎo)致容器壁面產(chǎn)生破壞性的破裂；原位換熱技術(shù)通常采用的是在混凝土儲熱介質(zhì)中布置存熱和取熱換熱管道，換熱管道外部不布置液態(tài)介質(zhì)的技術(shù)；但由于混凝土儲熱介質(zhì)與換熱管道的膨脹系數(shù)不一致，反復(fù)加熱循環(huán)會在混凝土儲熱介質(zhì)與換熱管道之間形成縫隙，滲透到該縫隙的空氣，減弱了儲熱介質(zhì)與換熱管道之間的熱交換，導(dǎo)致儲熱效率較低。實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供了一種低成本、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、能高效實現(xiàn)熱能高品位利用的一種固體儲熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)可應(yīng)用于各種儲熱應(yīng)用系統(tǒng)，特別是太陽能熱利用系統(tǒng)。
[0006]本實用新型提供了一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱系統(tǒng)實施無支架整體自支撐布置，包括多個具有獨立自支撐結(jié)構(gòu)，且在高度方向上疊加的儲熱單元；所述儲熱單元包括規(guī)則形狀的固體儲熱介質(zhì)、固體儲熱介質(zhì)中布置的換熱管道、儲熱單元內(nèi)部填充的液態(tài)導(dǎo)熱材料及儲熱單元外部的包覆層；所述液態(tài)導(dǎo)熱材料在儲熱單元中僅填充固體儲熱介質(zhì)、換熱管道、外部包覆層三者之間的縫隙，不參與通過式換熱，用于改善換熱管道與固體儲熱介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)效果；所述換熱管道包括金屬管和金屬管外部布置的散熱管；所述散熱管包括基管和翅片，其中所述基管與金屬管之間緊密接觸；翅片布置于基管上，所述散熱管的基管和翅片材料優(yōu)選為耐腐蝕且導(dǎo)熱良好的材料，例如銅、鋁或鋁合金材質(zhì)。
[0007]進(jìn)一步地，所述固體儲熱介質(zhì)為花崗巖、玄武巖、石英巖、磷石灰、剛玉、玻璃、混凝土。
[0008]進(jìn)一步地，所述固體儲熱介質(zhì)為規(guī)則形狀的長方體、菱形體、圓柱體。
[0009]進(jìn)一步地，所述固體儲熱介質(zhì)表面開槽或者固體儲熱介質(zhì)貫穿穿孔，形成換熱管道槽或換熱管道孔。
[0010]優(yōu)選地，所述固體儲熱介質(zhì)上、下面分別開半圓槽，多個固體儲熱介質(zhì)高度方向上疊加，相鄰的兩個半圓槽合并形成柱狀換熱管道槽。
[0011]進(jìn)一步地，所述液態(tài)導(dǎo)熱材料為無機(jī)鹽、液態(tài)金屬或?qū)嵊停愿纳茡Q熱管路、翅片與固體儲熱介質(zhì)之間的導(dǎo)熱接觸，減少熱阻。
[0012]優(yōu)選地，所述無機(jī)鹽為硝酸鈉、硝酸鈉和硝酸鉀混合物、硝酸鈉和硝酸鉀和硝酸鈣的混合物。
[0013]進(jìn)一步地，所述包覆層為帶蓋的金屬外殼層，優(yōu)選為耐所述液態(tài)導(dǎo)熱材料腐蝕、性能好的金屬，如碳鋼(采用導(dǎo)熱油為導(dǎo)熱材料時選用的金屬外殼材料)、不銹鋼、鋁或鋁合金
坐寸ο
[0014]優(yōu)選地，在所述包覆層內(nèi)部空間充滿保護(hù)性氣體或惰性氣體，如氮氣、氬氣、二氧化碳等，以保護(hù)固體儲熱介質(zhì)和液態(tài)導(dǎo)熱材料免受空氣中的氧氣等成分的影響，避免或減緩其氧化變質(zhì)。
[0015]進(jìn)一步地，相鄰儲熱單元之間在高度方向上布置緩沖層，防止固體儲熱介質(zhì)和包覆層之間以及相鄰儲熱單元的包覆層之間產(chǎn)生摩擦或滑動損傷。
[0016]進(jìn)一步地，多個所述儲熱單元在高度方向上相互交錯層疊布置，提高儲熱系統(tǒng)的整體強(qiáng)度，具有防震保安全的作用。
[0017]進(jìn)一步地，所述固體儲熱系統(tǒng)實施整體外部保溫。
[0018]進(jìn)一步地，所述固體儲熱單元的高度小于3m，可減弱儲熱單元外部包覆層承受的壓力，可使用很薄的壁厚，節(jié)省材料、運(yùn)行安全。
[0019]本實用新型通過在換熱管道與廉價固體儲熱介質(zhì)縫隙內(nèi)填充液態(tài)導(dǎo)熱材料，使固體儲熱介質(zhì)與換熱管道之間實現(xiàn)良好的膨脹匹配，接觸良好，長期使用也不會產(chǎn)生縫隙，避免了傳統(tǒng)儲熱系統(tǒng)中換熱管道與儲熱介質(zhì)膨脹系數(shù)不一致而導(dǎo)致的換熱效率較低的問題，進(jìn)而可保證固體儲熱介質(zhì)與換熱管道間的良好接觸，具有較好的導(dǎo)熱效果和較高的儲熱效率。另外，單個儲熱單元的高度尺寸較小，液態(tài)導(dǎo)熱材料對其包覆層產(chǎn)生的壓力很低，從而可使用很薄壁厚的包覆層，節(jié)省材料、運(yùn)行安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]下面參照附圖對本實用新型的具體實施方案進(jìn)行詳細(xì)的說明，附圖中:
[0021]圖1是本實用新型的儲熱系統(tǒng)陣列示意圖；
[0022]圖2為圖1儲熱系統(tǒng)中儲熱單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是圖2儲熱單元內(nèi)部的固體儲熱介質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖4為換熱管道的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合實施例對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
[0026]圖1是本實用新型的儲熱系統(tǒng)陣列示意圖。如圖1所示，固體儲熱系統(tǒng)I包括多個在高度方向上疊加、且具有獨立自支撐結(jié)構(gòu)的儲熱單元，例如儲熱單元101、儲熱單元102，所述儲熱單元包括規(guī)則形狀的固體儲熱介質(zhì)、固體儲熱介質(zhì)中布置的換熱管道，例如換熱管道103、儲熱單元內(nèi)部填充的液態(tài)導(dǎo)熱材料及儲熱單元外部的包覆層；所述液態(tài)導(dǎo)熱材料在儲熱單元中僅填充固體儲熱介質(zhì)、換熱管道、外部包覆層三者之間的縫隙，不參與通過式換熱，用于改善換熱管道與固體儲熱介質(zhì)之間的熱傳導(dǎo)效果。多個儲熱單元在高度方向上相互交錯層疊布置，提高了儲熱系統(tǒng)的整體強(qiáng)度，具有防震保安全的作用。進(jìn)一步地，所述儲熱單元外部有包覆層，且相鄰所述儲熱單元之間在高度方向上布置緩沖層，該緩沖層耐高溫，表面較軟，可有效保護(hù)各儲熱單元外部的包覆層不受損傷，另外，此緩沖層可以為具有低導(dǎo)率的絕熱層，以利形成溫度梯度。所述固體儲熱系統(tǒng)I中包括多個在高度方向上層疊堆積的儲熱單元和一定數(shù)量的在儲熱單元之間間隔布置的緩沖層，所述緩沖層將各個儲熱單元的儲熱區(qū)分開，以形成各儲熱單元的不同區(qū)域上的顯著溫度梯度，良好地保證了各儲熱單元內(nèi)部的儲存和輸出的熱量高品位。所述固體儲熱系統(tǒng)的外面包裹隔熱保溫層，實施整體外部保溫，避免儲熱系統(tǒng)向環(huán)境的熱損失，提高所述固體儲熱系統(tǒng)的儲熱效率。
[0027]一個實施例尺寸為:儲熱單元尺寸為3020mm*920mm*1045mm ;水平方向上同層布置3個儲熱單元，形成3020mm*3020mm*lIOOmm (儲熱單元與儲熱單元之間具有安裝縫隙，并考慮管道膨脹長度)的單層結(jié)構(gòu)；高度方向上16層儲熱單元相互交錯疊加布置，形成3020mm*3020mm *17600mm的固體儲熱系統(tǒng)整體，可提高固體儲熱系統(tǒng)的整體強(qiáng)度，具有防震保安全的作用。
[0028]圖2為圖1儲熱系統(tǒng)中儲熱單元的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，儲熱單元包括規(guī)則形狀的固體儲熱介質(zhì)201、固體儲熱介質(zhì)201中布置的換熱管道202及儲熱單元外部包覆層203，固體儲熱介質(zhì)201、換熱管道202及包覆層203三者之間的縫隙填充的液態(tài)導(dǎo)熱材料。
[0029]每個固體儲熱介質(zhì)201內(nèi)有供換熱流體經(jīng)過的換熱管道202，多個固體儲熱介質(zhì)201沿高度方向上平行層疊堆積，在儲熱單元內(nèi)部形成上下層串聯(lián)的換熱管道202 ;在換熱管道202和固體儲熱介質(zhì)201的縫隙內(nèi)填充液態(tài)導(dǎo)熱材料，換熱管道202內(nèi)的換熱流體可為高溫導(dǎo)熱油、熔融鹽、高壓水及飽和或過熱蒸汽等。固體儲熱系統(tǒng)在儲熱過程中，換熱管道202內(nèi)的高溫流體通過管壁將熱量傳遞到換熱管道202與固體儲熱介質(zhì)201縫隙內(nèi)的液態(tài)導(dǎo)熱材料，并進(jìn)一步將熱量傳遞給固體儲熱介質(zhì)201。所述液態(tài)導(dǎo)熱材料為無機(jī)鹽、液態(tài)金屬或?qū)嵊?，以改善換熱管路202及翅片與固體儲熱介質(zhì)201之間的導(dǎo)熱接觸，減少熱阻。無機(jī)鹽可以為硝酸鈉、硝酸鈉和硝酸鉀混合物、硝酸鈉和硝酸鉀和硝酸鈣的混合物等導(dǎo)熱材料，其與換熱管道202之間實現(xiàn)良好的膨脹匹配，具有良好的接觸，長期使用也不會產(chǎn)生縫隙，進(jìn)而可保證固體儲熱介質(zhì)201與換熱管道202間的良好接觸，具有較好的導(dǎo)熱效果，從而提聞系統(tǒng)的儲熱效率。
[0030]另外，包覆層203為帶蓋的金屬外殼層，優(yōu)選為耐液態(tài)導(dǎo)熱材料腐蝕、性能好的金屬，如碳鋼(采用導(dǎo)熱油為導(dǎo)熱材料時選用的金屬外殼材料)、不銹鋼、鋁或鋁合金等。包覆層203需要承受一定高度的液體壓力，例如，熔鹽的密度為2000kg/m3，Im高的儲熱單元，熔鹽流動過程中對外殼層產(chǎn)生的壓力相當(dāng)于2個大氣壓，優(yōu)選地，所述固體儲熱單元的高度小于3m ;在一個實施例中，儲熱單元2的尺寸為3020mm*920mm*1045mm,選擇高度為1045mm的儲熱單元，一方面為了與市場常見板材相匹配，便于裁剪、焊接，從而方便加工制作儲熱單元外部的包覆層203 ;另一方面，該儲熱單元的高度尺寸較小，液態(tài)導(dǎo)熱材料對外部包覆層203產(chǎn)生的壓力很低，可使用很薄的壁厚，節(jié)省材料、運(yùn)行安全。進(jìn)一步地，在所述包覆層203內(nèi)部空間充滿保護(hù)性氣體或惰性氣體，如氮氣、氬氣、二氧化碳等，以保護(hù)固體儲熱介質(zhì)和液態(tài)導(dǎo)熱材料免受空氣中的氧氣等成分的影響，避免或減緩其氧化變質(zhì)。
[0031]圖3是圖2儲熱單元內(nèi)部的固體儲熱介質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，單個固體儲熱介質(zhì)301的上、下面分別開半圓槽,例如半圓槽302,該半圓槽302與之相鄰緊密布置的固體儲熱介質(zhì)表面的半圓槽形成柱狀的換熱管道槽；固體儲熱介質(zhì)表面可以布置多個半圓槽，相鄰固體儲熱介質(zhì)之間形成多個換熱管道槽，并在多個換熱管道槽內(nèi)分別布置換熱管道，可以獲得小的橫截面積和大的換熱表面積，且在換熱管道槽內(nèi)填充液態(tài)導(dǎo)熱材料。在工作過程中，液態(tài)導(dǎo)熱材料一直處于流動狀態(tài)，填充換熱管道與固體儲熱介質(zhì)的縫隙，避免了傳統(tǒng)儲熱系統(tǒng)中換熱管道與儲熱介質(zhì)膨脹系數(shù)不一致而導(dǎo)致的換熱效率較低的問題，進(jìn)而可保證固體儲熱介質(zhì)與換熱管道間的良好接觸，具有較好的導(dǎo)熱效果。
[0032]所述固體儲熱介質(zhì)為花崗巖、玄武巖、石英巖、磷石灰、剛玉、玻璃、混凝土，由于其導(dǎo)熱好、比熱容較大、孔隙率低、密度高、性質(zhì)穩(wěn)定、材料來源廣泛、成本較低，特別適合優(yōu)選作為固體儲熱介質(zhì)；所述固體儲熱介質(zhì)為規(guī)則形狀的長方體、菱形體、圓柱體；所述儲熱介質(zhì)具有一定的尺寸，例如920mmX400mmX95mm,該尺寸的石塊比較常見，方便運(yùn)輸和加工，制作成本低；另外為了方便加工制作儲熱單元外部包覆層，選擇市場常見板材，例如1500*3000mm,方便折彎、焊接。
[0033]圖4為換熱管道的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示，所述換熱管道包括金屬管401和金屬管外部布置的散熱管；所述散熱管包括基管402和翅片403，其中所述基管402與金屬管401之間緊密接觸；翅片403布置于基管402上，所述散熱管的基管和翅片材料優(yōu)選為耐腐蝕且導(dǎo)熱良好的材料，例如銅、鋁或鋁合金材質(zhì)，可增加換熱管道的外表面積，提高換熱效率。
[0034]顯而易見，在不偏離本實用新型專利的真實精神和范圍的前提下，在此描述的本實用新型專利可以有許多變化。因此，所有對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的改變，都應(yīng)包括在本權(quán)利要求書所涵蓋的范圍之內(nèi)。本實用新型專利所要求保護(hù)的范圍僅由所述的權(quán)利要求書進(jìn)行限定。
【權(quán)利要求】
1.一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱系統(tǒng)實施無支架整體自支撐布置，包括多個具有獨立自支撐結(jié)構(gòu)，且在高度方向上疊加的儲熱單元；所述儲熱單元包括規(guī)則形狀的固體儲熱介質(zhì)、固體儲熱介質(zhì)中布置的換熱管道、儲熱單元內(nèi)部填充的液態(tài)導(dǎo)熱材料及儲熱單元外部的包覆層；所述液態(tài)導(dǎo)熱材料在儲熱單元中僅填充固體儲熱介質(zhì)、換熱管道、外部的包覆層三者之間的縫隙，不參與通過式換熱；所述換熱管道包括金屬管和金屬管外部布置的散熱管；所述散熱管包括基管和翅片，其中所述基管與金屬管之間緊密接觸；翅片布置于基管上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱介質(zhì)為花崗巖或玄武巖或石英巖或磷石灰或剛玉或玻璃或混凝土。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱介質(zhì)為規(guī)則形狀的長方體或菱形體或圓柱體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱介質(zhì)表面開槽或者固體儲熱介質(zhì)貫穿穿孔，形成換熱管道槽或換熱管道孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱介質(zhì)上、下面分別開半圓槽，多個固體儲熱介質(zhì)高度方向上疊加，相鄰的兩個半圓槽合并形成柱狀換熱管道槽。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述液態(tài)導(dǎo)熱材料為無機(jī)鹽、液態(tài)金屬或?qū)嵊汀?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述包覆層為帶蓋的耐所述液態(tài)導(dǎo)熱材料腐蝕的金屬外殼層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，相鄰儲熱單元之間在高度方向上布置緩沖層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，多個所述儲熱單元在高度方向上相互交錯層疊布置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱系統(tǒng)實施整體外部保溫。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述包覆層內(nèi)部空間充滿保護(hù)性氣體。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述固體儲熱單元的高度小于3m。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種固體儲熱系統(tǒng)，其特征在于，所述基管和翅片材料為銅、鋁或鋁合金。
【文檔編號】F28D20/00GK203785502SQ201320830325
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】劉陽 申請人:北京兆陽光熱技術(shù)有限公司