一种兼具热储及放热功能的热能储存装置及其用途.pdf

本发明公开了一种兼具热储及放热功能的热能储存装置，包括由多个热储/热交换单元堆栈而成的储热放热机构，每个热储/热交换单元由一热储存板及一热交换板叠合制成，其中，所述热储存板设有多个并列管道槽，供PCM材料存放其内，所述热交换板设有一组以上微管道群组，供热传递流体流过与PCM材料进行热交换；所述热能储存装置以单台或多台并联或串联或并联及串联组合使用。本发明的热能储存装置具备同时输入热能、同时吸取热能或一面输入热能一面吸取热能的功能，且储热温度达1200℃以上，应用于太阳热能发电系统中作为热能储存的用途，有助将整体太阳热能发电效率提升至达35～40％。

权利要求书
1.  一种兼具热储及放热功能的热能储存装置，使用PCM材料储热及放热，包括一热效应机构及两个以上集流分流罩体，其特征在于，
所述热效应机构包括一外部架构及一储热放热机构，其中，
所述外部架构，构成所述热效应机构的刚性架构，供所述储热放热机构设置于其内部；
所述储热放热机构，由多个热储/热交换单元堆栈而成，每个热储/热交换单元由一热储存板及一热交换板叠合制成，其中，所述热储存板设有多个并列管道槽，供PCM材料存放其内；所述热交换板设有一组以上微管道群组，作为热传递流体的流动通道，每组微管道群组由多个微管道单元并列构成，供热传递流体经过时与所述热储存板的PCM材料进行热交换；
所述集流分流罩体，由一中空腔体及一管路构成，其中，所述中空腔体设于所述热效应机构的储热放热机构外部，将所述储热放热机构的每个热储/热交换单元的微管道群组的进口端或出口端笼罩在其内，且所述管路与所述中空腔体相通，作为输入或输出热传递流体的管路。

2.  根据权利要求1所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，其特征在于，所述热储/热交换单元的热储存板的板厚为5～20mm，所述热储存板的管道槽的底部厚度为0.3～3mm及槽道宽度为5～20mm，且所述管道槽之间的槽道间隔为0.3～3mm。

3.  根据权利要求1所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，其特征在于，所述热交换板设有两组分开的“Z”形微管道群组。

4.  根据权利要求2所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，其特征在于，所述热交换板的板厚为1～4mm，所述热交换板的微管道单元的管道深度为0.5～1.5mm、管道宽度为1.0～3.0mm，且相邻微管道单元之间的最小壁厚为0.3～1.5mm。

5.  根据权利要求2所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，其特征在于，所述热交换板的微管道单元，以直径1.0～3.0mm的半圆形微管道为微管道单元。

6.  根据权利要求1至5中任一项所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，其特征在于，所述PCM材料选自碳酸锂、氟化锂、氟化钠、氟化钾、氟化镁、氟化钙、氧化钙、46.5％氟化锂/11.5％氟化钠/42％氟化钾混合融熔 盐、80.5％氟化锂/19.5％氟化钙混合融熔盐或66.3％硝酸钠/33.7％硝酸钾混合融熔盐的其中一种。

7.  根据权利要求6所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，其特征在于，所述PCM材料中添加石墨或金属。

8.  根据权利要求6所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，其特征在于，所述热能储存装置的储热温度达1200℃以上。

9.  一种兼具热储及放热功能的热能储存装置，以并联或串联组合或以并联及串联组合两台或两台以上权利要求1至8中任一项所述的热能储存装置构成。

10.  一种权利要求1至8中任一项所述的兼具热储及放热功能的热能储存装置，应用于太阳热能发电系统中作为热能储存的用途。

说明书一种兼具热储及放热功能的热能储存装置及其用途
技术领域
本发明涉及一种热能储存装置，尤指一种兼具热储及放热功能的热能储存装置及其用途。
背景技术
太阳热能发电是利用太阳热能结合热能储存来驱使发电机组持续发电，不受阴雨天候影响外，并且可于夜间发电，是最具潜力的再生能源，而热能储存是太阳热能发电的关键技术。现有技术中的太阳热能储存方式，大致分为使用显热(sensibleheat)储存材料、使用潜热(latentheat)储存材料及使用化学反应式(thermochemicalreaction)储热材料三类。
在太阳热能发电领域中，最常使用的显热储存材料，是使用熔点为221℃且成分含66.3％硝酸钠(NaNO3)及33.7％硝酸钾(KNO3)的融熔盐(moltensalt)。现有技术的太阳热能发电系统，除了使用显热型融熔盐作为热能储存的物质外，显热型融熔盐本身也作为热传递流体(Heattransferfluid,HTF)使用。但是，太阳热能发电系统使用显热型融熔盐作为热传递流体(HTF)的缺点，包括：显热型融熔盐温度过低时会凝固，易发生管道阻塞问题，加上显热型融熔盐本身具腐蚀性，温度过高时会分解劣化及腐蚀金属管路。
为了确保显热型融熔盐不会阻塞及腐蚀金属管路，显热型融熔盐的操作温度范围，在太阳热能发电系统中，一般只能限于290～565℃，此限制不但造成太阳热能发电系统的储热温度范围只介于290℃至565℃，更造成太阳热能发电系统释出的热能只能产生温度不超过565℃的蒸汽，在蒸汽温度不超过600℃的条件下，太阳热能发电系统需要搭配使用面积式太阳热能集热器。但是，面积式太阳热能集热器是由垂直金属管路制成，受到金属管路的热应力限制，面积式太阳热能集热器的阳光聚集强度只限于数百个太阳的照射强度，总集热效 率约只达57％。当太阳热能发电系统使用面积式太阳热能集热器与效率约达34％的蒸汽涡轮机(steamturbine)搭配发电时，其整体太阳热能发电效率为(0.57×0.34＝)19.5％不超过20％。
潜热(latentheat)是物质在(固态、液态、气态)相变化过程中吸收或释放的能量，而相变化材料(phase-changematerial，下文简称PCM材料)是一种具高熔化热的潜热储热材料，利用在恒温状况下固态/液态/气态相变化过程中吸热及放热来储热。在相变化温度时，PCM材料经由吸收热能会使物质状态从固态熔化成液态，且PCM材料在吸收热能的过程中，PCM材料的温度并没有明显的升高；当外在环境温度降低，PCM材料经由释放热能会使物质状态将从液态固化成固态，故PCM材料具有储存或释放大量能量的能力。
PCM材料在低温状况下为固态，在太阳热能发电系统中是无法直接作为热传递流体(HTF)使用，故使用潜热储热材料的太阳热能发电系统，在集热及储热系统的设计较为复杂。不过，潜热储热材料的潜热储热密度远高于显热储存材料，在储热量及体积上占有相对优势，应用于太阳热能发电系统，将提高太阳热能发电效率。
太阳热能发电系统的储热温度愈高，太阳热能发电效率愈高。当太阳热能发电系统使用高温储热器与相当于1,000至数千个太阳照射强度的体积式太阳热能集热器结合，集热及储热的整体效率为70～80％，温度可达1200℃，所释出的热能用于将气涡轮机(gasturbine)的进气温度加热，以推动气涡轮机复循环(CombinedCycle)发电机组；在气涡轮机出口气体的余热仍高达600℃的状况下，将进一步应用来再推动蒸汽涡轮机发电。当太阳热能发电系统使用前述高温储热器及体积式太阳热能集热器与效率约达50％的气涡轮机复循环发电机组搭配发电时，其整体太阳热能发电效率将达(0.7×0.5～0.8×0.5＝)35～40％。
据此，开发一种使用潜热储存材料的热储存器，并且兼备储热量高、储热温度高、耐高压以及储热/放热热交换效率高的特性，将有助于提高太阳热能发电效率。
现有技术中兼具高热传速率，高热交换效率及耐高压的热交换器，有通道热交换器(micro-channelheatexchanger)及结构类似的印刷 线路微管道热交换器(printedcircuitheatexchanger，简称PCHE热交换器)。
如图1所示，现有微通道热交换器90的构造，是由多个热交换单元91堆栈而成；每个热交换单元91由一片第一热交换板93及一片第二热交换板95交互堆栈，再使用扩散焊接(diffusionbonding)结成一体。其中，第一热交换板93的板面上，设有多个第一微通道94，作为供热传递流体F1流过的流道；第二热交换板95的板面上，设有多个第二微通道96，与第一热交换板93的第一微通道94呈90度交错,且作为供热传递流体F2流过的流道。当热传递流体F1流经第一微通道94的时候，与流经第二微通道96且流向互成90度交错的热传递流体F1产生高热传速率的热交换，加上第一微通道94与第二微通道96之间仅以厚度极薄的第一热交换板93或第二热交换板95相隔，故热交换效率高达94％。
上述微通道热交换器及PCHE热交换器，都具备高热传速率、高热交换效率及耐高压特性，但两者都不具备储热功能。
发明内容
有鉴于此，本发明的发明动机在于实现使现有技术中的微信道热交换器(或PCHE热交换器)与潜热储存材料结合而构成一种兼具热储及放热功能的热能储存装置。
本发明的主要目的在于揭露一种热能储存装置，使用潜热储存材料兼具热储及放热功能，以单台或多台并联或串联或并联及串联组合使用，且应用于太阳热能发电系统中作为热能储存的用途，可利用空气或其它热传递流体(HTF)吸收体积式太阳集热器的热能并与气涡轮机复循环发电机组结合，有助于将整体太阳热能发电效率提升至达35～40％。
所述热能储存装置的具体构造，包括一热效应机构及两个以上集流分流罩体，所述热效应机构进一步包括一外部架构及一储热放热机构，其中，所述外部架构用于构成所述热效应机构的刚性架构，且供所述储热放热机构设置于其内部；所述储热放热机构是由多个热储/热交换单元堆栈而成，每个热储/热交换单元由一热储存板及一热交 换板叠合制成，且所述热储存板设有多个并列管道槽，供PCM材料存放其内；所述热交换板设有一组以上微管道群组，优选为设有两组分开的“Z”形微管道群组，作为热传递流体的流动通道，且每组微管道群组由多个微管道单元并列构成，供热传递流体经过时与所述热储存板的PCM材料进行热交换。
所述集流分流罩体，由一中空腔体及一管路构成，其中，所述中空腔体设于所述热效应机构的储热放热机构外部，将所述储热放热机构的每个热储/热交换单元的微管道群组的进口端或出口端笼罩在其内，且所述管路与所述中空腔体相通，作为输入或输出热传递流体的管路。
所述热储/热交换单元的热储存板的板厚5～20mm，其中并列的管道槽的底部厚度0.3～3mm、槽道宽度5～20mm，且管道槽之间的槽道间隔介于0.3～3mm。
所述热储/热交换单元的热交换板的板厚1～4mm，其中所述微管道群组的微管道单元的管道构造，包括管道深度0.5～1.5mm、管道宽度1.0～3.0mm，且相邻微管道单元之间的最小壁厚为0.3～1.5mm；优选管道构造为直径1.0～3.0mm的半圆形微管道。
所述PCM材料选自碳酸锂(Li2CO3)、氟化锂(LiF)、氟化钠(NaF)、氟化钾(KF)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、氧化钙(CaO)、46.5％氟化锂/11.5％氟化钠/42％氟化钾混合融熔盐、80.5％氟化锂/19.5％氟化钙混合融熔盐或66.3％硝酸钠/33.7％硝酸钾混合融熔盐的其中一种；优选为所述PCM材料中添加石墨或金属。
所述热能储存装置的储热温度达1000℃以上，优选为介于1200℃～1500℃，最优选为达1500℃以上，适用于太阳热能发电系统中作为热能储存的用途。
本发明的热能储存装置，具有以下有益效果：
1、所述热能储存装置具备同时输入热能、同时吸取热能或一面输入热能一面吸取热能的功能。
2、所述热能储存装置使用潜热储存材料，兼具热储及放热功能，彻底解决及突破现有微通道热交换器或PCHE热交换器不具备储热功能的缺点。
3、所述热能储存装置能以单台或多台并联或串联或并联及串联组合使用，且储热温度达1200℃以上，应用于太阳热能发电系统中作为热能储存的用途，有助于将整体太阳热能发电效率提升至达35～40％。
附图说明
图1为现有的微通道热交换器的示意图。
图2为本发明的兼具热储及热交换功能的热能储存装置示意图。
图3为图2的热能储存装置的局部剖面说明图。
图4为图2的热能储存装置的热储/热交换机构及热储/热交换单元分解图及其局部剖面放大图。
图5为图2的热能储存装置可以并联或串联方式组成热能储存系统的示意图。
附图标记说明
10热能储存装置15热效应机构
20外部架构21顶盖板
22底盖板23前盖板
24后盖板30储热放热机构
40热储/热交换单元50热储存板
52PCM槽60热交换板
62微管道群组63微管道单元
70集流分流罩体71中空腔体
72管路73输入管路
74输出管路90微通道热交换器
91热交换单元93第一热交换板
94第一微通道95第二热交换板
96第二微通道F1热传递流体
F2热传递流体T1板厚
T2底部厚度T3槽道宽度
T4槽道间隔
具体实施方式
如图2至图4所示，本发明的热能储存装置10，特性具备储热效率可达94％以上、储热温度可达1200℃以上，其结构包括一热效应机构15及两个以上(包含两组、四组或多组)集流分流罩体70；其中，所述热效应机构15包括一外部架构20及一储热放热机构30；所述热效应机构15的基础架构选用耐高温金属材料构成时，在温度为900℃时，可耐压500-1000个大气压。
所述外部架构20包括一顶盖板21、一底盖板22、一前盖板23及一后盖板24，用于构成所述热效应机构15的刚性架构。当所述外部架构20与所述储热放热机构30共同组成所述热效应机构15时，所述储热放热机构30将密封并设置在所述外部架构20的内部。
所述外部架构20可选用具隔热效果的耐高温金属材料制成，为了提升所述热效应机构15的储热放热能力，所述外部架构20也可选用显热(sensibleheat)储存材料制成，外面再包覆隔热材料达到隔热效果。
如图3及图4所示，所述储热放热机构30由多个热储/热交换单元40交互堆栈而成；每个热储/热交换单元40由一热储存板50及一热交换板60叠合且使用压结技术制成一个单元体(blockunit)。
所述热储存板50可选用显热储存材料制成，设有多个并列的管道槽52，所述热储存板50的板厚T1为5～20mm，所述管道槽52的底部厚度T2为0.3～3mm、所述管道槽52的槽道宽度T3为5～20mm、以及所述管道槽52的槽道间隔T4为0.3～3mm。
所述热储存板50的每个管道槽52的两端，可设成封闭端或开口端，并且使用所述外部架构20的顶盖板21及底盖板22将每个管道槽52的两端密封；所述热储存板50的每个管道槽52的槽道槽口，由堆栈在前面的另一件热储/热交换单元40以扩散焊接(diffusionbonding)密封；最外侧的热储/热交换单元40，则使用所述外部架构20的前盖板23或后盖板24将每个管道槽52的槽道槽口密封。
因此，所述热储存板50的每个管道槽52可供相变化材料(PCM材料)存放于其内，并且使所述热储存板50具备储热及放热功能。所述PCM材料选自碳酸锂(Li2CO3)、氟化锂(LiF)、氟化钠(NaF)、氟化 钾(KF)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)、氧化钙(CaO)、46.5％氟化锂/11.5％氟化钠/42％氟化钾混合融熔盐、80.5％氟化锂/19.5％氟化钙混合融熔盐或66.3％硝酸钠/33.7％硝酸钾混合融熔盐的其中一种。为了提高PCM材料的热传导系数，PCM材料中亦可适度添加高热传导系数的材料如石墨或金属等。
如图4所示，所述热交换板60的板厚为1～4mm，可选用显热储存材料制成，其中一面设有一组以上(包含一组、两组或多组)的微管道群组62，优选为设有两组分开的“Z”形微管道群组62；其中，所述微管道群组62由多个微管道单元63并列构成，且所述微管道单元63的管道截面可为任何形状，优选管道截面形状包括管道深度为0.5～1.5mm、管道宽度为1.0～3.0mm，且相邻微管道单元63之间的最小壁厚为0.3～1.5mm；特优选为所述微管道单元63设成截面呈直径1.0～3.0mm的半圆形微管道单元63。
如图3所示，所述集流分流罩体70具有一中空腔体71及一管路72与所述中空腔体71相通。所述集流分流罩体70设于所述热效应机构15的储热放热机构30外部，且利用所述集流分流罩体70的中空腔体71将所述储热放热机构30的每个热储/热交换单元40的微管道群组62的进口端或出口端彻底笼罩在其内。
如图5所示，所述集流分流罩体70设于笼罩所述微管道群组62的进口端时，所述集流分流罩体70的管路72，作为热传递流体的输入管路73使用。所述集流分流罩体70设于笼罩所述微管道群组62的出口端时，所述集流分流罩体70的管路72，则作为热传递流体的输出管路74使用。
如图2至图5所示，所述热交换板60的不同微管道群组62的进口端及出口端，只与所对应的集流分流罩体70连接成独立通路。使用时，本发明的热能储存装置10，可以选择让高温的或低温的同质热传递流体进入所有集流分流罩体70的输入管路73，也可以选择使用高温的或低温的同质或异质热传递流体分别进入不同集流分流罩体70的输入管路73，再从所述集流分流罩体70的中空腔体71分流进入每个热储/热交换单元40的各个微管道群组62，并与PCM材料产生热传导热交换后，从各个微管道群组62的出口端出来，再经过 笼罩在所述微管道群组62出口端的各个集流分流罩体70的中空腔体71后，由所述集流分流罩体70的输出管路74汇流出来。
换言之，本发明的热能储存装置10的各个微管道群组62，可选择全部用来输入热能、也可选择全部用来吸取热能，或选择部分微管道群组62用来输入热能同时部分微管道群组62用来吸取热能。所以，本发明的热能储存装置10具备可同时输入热能、同时吸取热能或一面输入热能一面吸取热能的功能。
当热传递流体(HTF)利用聚热太阳热能加热后，高温的热传递流体(HTF)通过所述微管道群组62的微管道单元63之际，经由热传导，将热能输入(heatinput)给存放在所述热储存板50的PCM材料；反之，当低温的热传递流体(HTF)通过所述微管道群组62的微管道单元63时，经由热传导，将吸取从所述热储存板50的PCM材料释放出来的热能(Heatextract)，而达到加热的目的。
尤其是，当热传递流体流过每个热储/热交换单元40的热交换板60的微管道群组62时，与每个热储/热交换单元40的热储存板50的PCM材料仅以薄壁相隔及进行热交换，故本发明的热能储存装置10具备高热传效率，储热效率可达92％以上、储热温度可达1000℃以上，优选为储热效率可达94％以上、储热温度达1200℃～1500℃，最优选为储热效率达99％以上、储热温度达1500℃以上，远高于一般搭配传统壳、管式(shellandtube)热交换器使用的储热效率只达80％的储热器。
如图5所示，使用者可将一台热能储存装置10的输出管路74与另一台热能储存装置10的输入管路73构成串联连接，依此连接方式类推，多台相同规格的热能储存装置10可构成串联使用的热能储存装置群体；用户可将两台热能储存装置10的输入管路73构成并联连接以及将各自的输出管路74也构成并联连接，依此连接方式类推，多台相同规格的热能储存装置10可构成并联使用的热能储存装置群体；除此之外，使用者也可以合并使用上述串联及并联使用的热能储存装置群体。所以，本发明的热能储存装置10，具备多台相同规格的热能储存装置10并联或串联或同时并联及串联使用的功能。
本发明的热能储存装置10，除了使用热效应机构15的PCM材料达到主要储热效果之外，也可以利用所述热效应机构15的基础架构选择由显热(sensibleheat)储存材料制成来附加储热效果。
实施例
以下以实施例具体说明本发明的热能储存装置10兼具热储及放热功能，应用于太阳热能发电系统中作为热能储存时，整体太阳热能发电效率可达35～40％。
实施例1：
制备图2的热能储存装置10，具备500个大气压以上的耐压能力，工作范围的最高温度为1095℃，最低温度为565℃，其中，

相变化材料(PCM)使用氟化钠(NaF)，其熔点为996℃，密度为2780kg/m3，比热为3.336MJ/m3℃，潜热(996℃)为2208MJ/m3；其中，M为106；
热效应机构15的(基础架构)结构体，使用INCONEL600合金，可耐温1095℃，密度为8470kg/m3，比热为5.32MJ/m3℃；其中，M为106。
在565℃～1095℃工作范围下，本实施例的热能储存装置10的每立方米的储热量，为下列三种热量的总和，即1262MJ+1577MJ+806MJ＝3645MJ。


实施例2：
将实施例1的热能储存装置10应用于太阳热能发电系统，且与体积式太阳热能集热器及超临界CO2气涡轮机发电机组结合。
体积式太阳热能集热器的高温热传递流体F1通过所述热能储存装置10的一组“Z”形微管道，将热能储存于热能储存装置10的PCM材料。
压力为199.7Bar的超临界CO2工作流体F2，则流经所述热能储存装置10的另外一组“Z”形微管道，吸收热能储存装置10的PCM材料的热能，当温度达到485.8℃，用于推动超临界CO2气涡轮机发电机组。
该超临界CO2气涡轮机发电机组的效率为44.2％，体积式太阳热能集热器的效率为80％，整体太阳热能发电系统的效率为35.4％。
实施例3：
制备图2的热能储存装置10，具备500个大气压以上的耐压能力，工作范围的最高温度为1500℃，最低温度为1200℃，其中，


相变化材料(PCM)使用氟化镁(MgF2)，其熔点为1263℃，密度为3148kg/m3，比热为3.463MJ/m3℃，潜热(1263℃)为2956MJ/m3；其中，M为106；
热效应机构15的(基础架构)结构体，使用碳化硅(SiC)，密度为3100kg/m3，熔点为2837℃，工作温度1700℃，破裂系数(RuptureModulus)为110Mpa，比热为7.874MJ/m3℃，热传导系数125W/m-K(20℃)～40W/m-K(1000℃)；其中，M为106。
在1200℃～1500℃工作范围下，本实施例的热能储存装置10的每立方米的储热量，为下列三种热量的总和，即586MJ+1667MJ+1030MJ＝3283MJ。

实施例4：
将实施例3的热能储存装置，应用于实施例2的太阳热能发电系统中，且取代实施例1的热能储存装置。
其中，超临界CO2气涡轮机发电机组的效率为50％，体积式太阳热能集热器的效率为80％，整体太阳热能发电系统的效率为40％。
比较例：
在太阳热能发电系统中，建立具有两具储热槽的一般储热系统，搭配使用面积式太阳热能集热器及蒸汽涡轮机(steamturbine)发电。
所述储热系统的高温储热槽的温度为565℃，低温储热槽的温度为290℃，只利用熔融盐的显热(sensibleheat)来储热，不利用熔融盐的相变化储热。
热传递流体使用66.3％硝酸钠与33.7％硝酸钾混合融熔盐，其熔点为221℃，熔点温度的潜热(221℃)为232MJ/m3，其中，M为106；
在290℃～565℃工作范围下，储热系统的每立方米的储热量＝熔融盐比热(1.6kJ/kg℃-1)×熔融盐密度1870(kg/m3)×(565℃-290℃)＝823MJ/m3。
该蒸汽涡轮机的效率为34％，面积式太阳热能集热器的效率为57％，整体太阳热能发电系统的效率为19.5％，不超过20％。
结果
1.实施例1的储热量为3645MJ/m3，为比较例66.3％硝酸钠/33.7％硝酸钾融熔盐显热储热方式(823MJ/m3)的4.43倍。
2.实施例3的储热量为3283MJ/m3，为比较例66.3％硝酸钠/33.7％硝酸钾融熔盐感度储热方式(823MJ/m3)的3.99倍。
3.实施例2及实施例4的太阳热能发电系统，分别使用实施例1及实施例3的热能储存装置时，发电效率分别达35.4％及40％，高于发电效率不超过20％的比较例。