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1、10申请公布号CN102032823A43申请公布日20110427CN102032823ACN102032823A21申请号201010561113022申请日20101123F28D20/0020060171申请人中国科学院电工研究所地址100080北京市海淀区中关村北二条6号72发明人徐超王志峰白凤武李鑫74专利代理机构北京科迪生专利代理有限责任公司11251代理人关玲54发明名称固体储热介质太阳能高温储热系统57摘要一种固体储热介质太阳能高温储热系统，包括多个平板型储热模块，多个储热模块平行层叠堆积，相互之间绝热。储热模块内有供换热流体流动的管道，管道和储热模块之间的空间填充有固体储热。
2、介质。每个储热模块外有与模块内管道连通的换热流体进口管和出口管。所有相邻储热模块的换热流体的进口管和出口管串联连接，组成串联布置的储热系统。储热模块内的换热流体管道多层分布、逆流布置。所述的固体储热介质内嵌有强化传热单元。本发明可用于太阳能中高温热发电及其它中高温热利用领域。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图3页CN102032826A1/1页21一种固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储热系统包括多个平板型储热模块，多个储热模块平行层叠堆积，相互之间绝热；所述的储热模块内有供换热流体流动的管道，管道和储热模块之间的空间填充。
3、有固体储热介质；每个储热模块的外侧面都装有一个与模块内管道连通的换热流体进口管和出口管；所有相邻储热模块的换热流体的进口管和出口管串联连接，组成串联布置的储热系统。2根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储热模块内的换热流体管道多层分布、逆流布置。3根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的固体储热介质内嵌有强化传热单元。4根据权利要求1或3所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的强化传热单元为颗粒状或片状；颗粒状的强化传热单元均匀掺混在固体储热介质内；片状的强化传热单元套接在所述的换热流体管道外形成金属翅片或肋片。5。
4、根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储热模块外面包裹隔热保温层。6根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储热系统布置有多个分别与不同储热模块的进口管和出口管连接的系统进口阀和出口阀。7根据权利要求6所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储热系统运行时每间隔一段时间根据各个储热模块的温度分布选择需要开启的系统进口阀和出口阀，使所述的储热系统的换热流体进出口尽量接近温跃层模块区，跳过温跃层模块区之外失去换热功能的低温模块区和高温模块区。8根据权利要求1所述的固体储热介质太阳能高温储热系统，其特征在于，所述的储热系统。
5、使用相同的换热流体时，储热系统中只有一套管路，使用不同的换热流体时，储热系统中安装两套并行的管路；每套管路均包括串联连通的系统进口阀、储热模块进口管、储热模块内换热流体管道、储热模块出口管和系统出口阀。权利要求书CN102032823ACN102032826A1/6页3固体储热介质太阳能高温储热系统技术领域0001本发明涉及太阳能高温储热系统，尤其涉及一种储热材料为固体的太阳能高温储热系统。背景技术0002太阳能热发电系统的运行受到强烈不稳定的太阳光照的影响和制约，具有强烈的间歇性。为了克服这一困难，太阳能热发电系统中一般带有储热系统。储热系统可将白天的太阳辐照转换为热量储存起来，在太阳辐射不。
6、足或无太阳辐照时再把热量释放出来发电。储热系统的引入不仅可以对太阳能“移峰填谷”以延长系统发电时间，而且可以有效地稳定系统运行和提高系统发电效率。目前储热系统的研究主要集中在储热材料和储热方式的选择、以及蓄热系统的整体优化上。0003目前可选择的储热方式主要包括三种显热储热、潜热储热和化学能储热。其中显热储热技术简单成熟，成本较低，在太阳能热发电中应用最广。太阳能热发电中显热储热的储热材料包括液体材料如熔盐和导热油等和固体材料如铸铁、铁矿石、沙土岩石、高温混凝土等。熔盐具有较强的腐蚀性和较高的凝固温度，对储热系统的管道材料选择和附属设施的设计要求较高。导热油由于物性限制，无法做到高温存储，通常。
7、用于400以下，且系统成本较高。固体储热材料如混凝土等，具有性能稳定、成本低、储热能力强等优点，是太阳能热利用系统的理想候选储热材料之一。但固体储热材料除金属外一般都具有较低的导热系数，不利于储热和放热过程，系统的储热效率对储热系统的整体设计和优化的依赖性很强。0004目前基于潜热储热的储热系统主要有两种双箱储热系统和单箱储热系统。双箱储热系统中有一个热箱和一个冷箱，储热时冷箱内的储热介质通常为液体介质吸收热量后被存储在热箱内，放热时热箱内的高温介质把热量释放出来后再回到冷箱。双箱储热系统结构简单，技术成熟，但是由于具有两个储热箱，储热介质也相应增加，导致系统储热成本较高。单箱储热系统只有一个。
8、储热箱，使用液体介质的单箱储热又称为温跃层储热，箱内的冷、热流体通过一个厚度较小但温度梯度很大的温跃层又称为斜温层分隔开来，储热时温跃层上面的热流体逐渐增加，下面的冷流体逐渐减少，温跃层向下移动，放热时则相反。单箱温跃层储热具有成本较低，储热效率较高的特点。发明内容0005本发明的主要目的在于克服现有储热系统的缺点，提供一种结构简单、成本较低、性能稳定、储热和换热效率高的单箱固体介质太阳能高温储热系统。0006为了实现上述目的，本发明的技术方案是0007本发明太阳能高温储热系统采用固体储热材料，在储放热过程中具有温跃层特性。本发明包括多个平板型的储热模块，多个储热模块平行层叠堆积，储热模块之间。
9、相互绝热。每个平板型固体储热模块内有供换热流体经过的管道，在管道和储热模块之间的空间说明书CN102032823ACN102032826A2/6页4里填充有固体储热介质。每个储热模块外侧面都装有一个与模块内管道连通的换热流体的进口管和出口管，进口管和出口管位于平板型模块的同一侧面外，即具有狭长形状的表面外，或不同侧面外。所有相邻储热模块的换热流体管道的进口管和出口管按顺序串联连接，组成串联布置的储热系统。储热系统工作时，换热流体从储热系统进口阀门按串联顺序流经各个储热模块内的管道，并且与储热模块内固体储热介质交换热量，最后从储热系统出口阀门流出，完成储、放热过程。0008所述单个平板型储热模块。
10、内的换热流体管道按照多层分布、逆流布置的方式布置；每层管道布置方式可以包括多管平行流动方式、单管蛇形流动方式、多管蛇形流动方式等。所涉及的多层分布、逆流布置的管道布置方式，一方面是为了保证换热流体和储热模块内的固体储热介质最大程度的充分换热，尽可能的减小换热流体出口温度与模块平均温度的差别，另一方面是为了保证换热时模块内的温度分布尽量均匀。0009所述平板型固体储热模块的固体储热介质内可以嵌入强化传热单元。强化传热单元为使用具有高导热系数的材料，比如金属颗粒、钢渣、铜渣等的颗粒状单元或钢片、铜片、铝片等的片状单元。使用颗粒状单元时，通过掺混使颗粒均匀的分布在固体储热介质内；使用片状单元时，片状。
11、单元套接在管道外形成金属翅片或肋片，并使其尽量均匀的分布在固体储热介质内。颗粒状单元和片状单元也可以同时使用。固体储热介质内嵌入强化传热单元是为了克服固体储热介质导热系数低的缺点，进一步促进了储热介质与换热流体的充分换热、以及模块内储热介质温度的均匀分布。0010所述平板型固体储热模块外面包裹隔热保温层。隔热保温层一方面是为了避免储热模块向环境的热损失，更重要的是在模块层叠堆积后避免模块间的热交换，实现模块与模块之间绝热。这样可以避免系统运行时温度不相等的相邻模块间的热混合，保证高温模块内的高品质热量能够得到最大限度的有效利用，提高了系统的储热效率。0011所述太阳能高温储热系统在储热和放热时。
12、具有温跃层储、放热特性，具体表现为随着放热的进行，储热系统中流体上游侧的高温储热模块被逐渐冷却成与储热系统进口流体温度相近的低温储热模块；由于换热流体流经储热模块时温度逐渐升高，导致存在数个相邻储热模块，这些相邻储热模块的温度从低温向高温逐渐阶梯状过渡，这些储热模块的温度分布类似于温跃层分布，可以称为温跃层模块区；换热流体经过温跃层模块区后温度接近高温模块温度，失去换热功能，高温模块温度维持不变。这样，随着时间的推进，温跃层模块区逐渐往下游方向移动，低温模块不断增加，高温模块不断减少，热量被换热流体不断带出。储热过程则相反。0012所述高温储热系统也可以布置多个与不同储热模块进、出口管连接的储。
13、热系统的流体进口阀和出口阀。储热系统运行时每间隔一段时间后可以根据各模块的温度分布来选择需要开启的唯一的进口阀和出口阀，以实现储热系统的换热流体进、出口尽量接近温跃层模块区。这样，失去换热功能的流体可以不用流经温跃层模块区之外的低温模块区和高温模块区，从而大大减少泵功，提高热发电效率。0013所述平板型固体储热模块可以沿高度方向或水平方向平行层叠堆积，组成储热系统。沿高度方向层叠堆积时，既有利于减小占地面积，又有利于在系统长时间不工作时利用重力作用自动将换热流体排出储热系统。0014所述平板型固体储热模块的固体储热介质可以是高温混凝土、沙石、陶瓷和金属说明书CN102032823ACN1020。
14、32826A3/6页5等。流体管路的材质可以是金属也可以是非金属的，如水泥、陶瓷及高分子材料等。0015所述换热流体可以是高温导热油、熔融盐、高压水及饱和或过热蒸汽等。0016本发明太阳能高温储热系统在储热、放热时既可以使用相同的换热流体，也可以使用不同的换热流体。当使用相同的换热流体时，所述储热系统中只有一套流体管路；储热、放热使用不同的换热流体时，所述储热系统中安装两套并行的管路。每套管路都包括串联连通的系统进口阀、储热模块进口管、储热模块内换热流体管道、储热模块出口管和系统出口阀。0017综上所述，本发明的优点在于00181、储热模块内通过布置多层分布、逆流布置的流体管道，同时固体储热介。
15、质内嵌入强化传热单元，能够实现固体储热介质快速有效的储热和放热，并且模块内温度分布比较均匀。00192、由于所述储热系统储热、放热过程具有温跃层特性，一方面有利于保障出口流体参数稳定，另一方面使得除了温跃层模块区大小的储热单元内存储的热能不能完全有效利用外，其它的热能都能得到有效释放利用，从而系统具有较高的储热效率。比如，当温跃层模块区占系统总模块的10时，系统的储热效率可以超过90。00203、上述储热系统由模块化的储热模块组成，结构简单，加工和安装成本低。储热模块为平板状，平行堆积后形成立体塔罐式储热系统，暴露面积小，热损失少，而且占地面积小。00214、换热流体流经上述储热系统时，换热主。
16、要发生在温跃层模块区，由于温跃层模块区内各模块储热介质的温度按阶梯状分布，使得储热模块与换热流体换热时的温度品质较好的匹配较低温度的储热模块与较低温度的流体换热，较高温度的储热模块与较高温度的流体换热。这样，系统的平均换热温差大大降低，换热过程火用损失少。00225、上述储热系统采用固体材料作为储热介质，充分利用了其储热容量大、成本低、性能稳定等优点，同时避免了腐蚀和凝固冻结等问题。0023基于上述优点，本发明涉及的储热、放热具有温跃层特性的固体介质高温储热系统，在太阳能中高温热发电、及其它中高温热利用领域，具有显著的应用前景。此外，电站系统中也可以并联使用两座或多座本发明涉及的储热系统，以满。
17、足更大的储热需求。附图说明0024图1为本发明实施例1的储热系统结构示意图；0025图2A、图2B、图2C为本发明实施例1的储热模块内的不同流道布置方式示意图；0026图3为本发明实施例1的储热系统放热过程示意图；0027图4为本发明实施例2的储热系统结构示意图；0028图5为本发明实施例2的储热系统放热过程进出口阀门选择流程图；0029图中1储热系统流体进出口阀、2进口管、3储热模块内换热流体通道、4储热模块内固体材料储热介质、5储热模块外包裹的隔热保温层、6出口管、7储热系统流体出进口阀、8T1时间点温跃层模块区温度分布、9T2时间点温跃层模块区温度分布、10T3时间点温跃层模块区温度分布。
18、、11T4时间点温跃层模块区温度分布、12T5时间点温跃层模块区温度分布、13T6时间点温跃层模块区温度分布、14T7时间点温跃层模块区温度分布、15子说明书CN102032823ACN102032826A4/6页6系统测温装置。具体实施方式0030以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。0031如图1所示，本发明实施例1的储热系统是主要由NN3个平板型的固体储热模块平行层叠堆积组成的塔罐式储热系统。每个平板型固体储热模块内填充固体材料储热介质4，并在储热介质4内部布置换热流体通道3，模块外包裹隔热保温层5，保证相邻模块之间绝热。每个储热模块外都有一个与储热模块内管道连通的换热流体的进。
19、口管2和出口管6，进口管2和出口管6位于平板型模块的同一侧面外，即具有狭长形状的表面外。所有相邻储热模块的换热流体进口、出口管按顺序串联连接，组成串联布置的储热系统。0032本实施例在储热、放热过程中使用相同的换热流体。所述的储热系统储热时，高温换热流体从储热系统进口阀1，通过储热模块N的流体进口管道首先进入模块N，并且与其内部的固体储热介质交换热量，然后通过连通的模块N的出口管道和模块N1的进口管道，进入模块N1进行换热。这样，换热流体依次流经串联连接的各储热模块，最后从与模块1的出口管连接的储热系统出口阀7排出，完成换热流体与储热系统内的固体储热介质4的热交换。储热系统放热时与储热过程类似。
20、，只是流体流动方向与储热系统储热时相反，储热时的进口阀变成放热时的出口阀，储热时的出口阀变成放热时的进口阀。0033为了实现本发明储热系统在储热、放热时具有温跃层特性，本发明主要采用下面三个措施1、储热系统内层叠的储热模块数量尽可能多；2、通过隔热保温材料5，实现相邻模块间互相绝热；3、换热流体流经储热模块时与固体储热介质4充分换热，且单个储热模块内储热介质4的温度接近均匀分布。为了实现单个模块内换热流体与储热介质4的充分换热且模块内温度均匀分布，一方面，固体储热介质4内可以嵌入强化传热单元，来有效提高储热介质的导热系数，从而提高换热效率。强化传热单元使用具有高导热系数的材料，比如金属颗粒、钢。
21、渣、铜渣等颗粒状单元或钢片、铜片、铝片等片状单元。使用颗粒状单元时，通过掺混使颗粒均匀的分布在固体储热介质内；使用片状单元时，片状单元套接在管道外形成金属翅片或肋片，并使其尽量均匀的分布在固体储热介质内。颗粒状单元和片状单元也可以同时使用。另一方面，可以通过优化布置储热模块内的换热流体管道3，如下所述。0034图2所示为本发明实施例1的储热模块内不同的流道布置方式。换热流体通过流体进口管2和出口管6进出储热模块，并且通过储热模块内流道3的分配与储热模块内不同区域的储热介质4进行热交换。本实施例中，储热模块内流道3按照两层分布、逆流布置。从图2A、B、C所示的三种流道布置方式可以看出，流体都是从。
22、储热模块左侧经过一层流道的分配流到储热模块的右侧，然后拐入另一层的通道，重新回到储热模块的左侧。这种两层分布、逆流布置的方式有利于储热模块内储热介质温度的均匀分布。图2同时示意了三种不同的单层管道布置方式图2A所示的多管平行流动方式，图2B所示的单管蛇形流动方式，以及图2C所示的多管蛇形流动方式。其中图2A所示的多管平行流动方式流动阻力最小，换热效果相比最差；图2B所示的多管蛇形流动方式流动阻力最大，换热效果相比最好；而图2C所示的多管蛇形流动方式的流动阻力和换热效果都介于上述两者之间。0035为了更清楚地说明本发明的储热系统在储热、放热时的温跃层特性，图3给出了本发明实施例1的储热系统放热过。
23、程示意图，本发明实施例1的储热过程与之类似。假定储说明书CN102032823ACN102032826A5/6页7热系统开始放热时所有储热模块都为温度为T高的高温模块。温度为T低的低温流体由系统进口阀1首先进入模块1，然后顺序流经各模块，最后从模块N排出。图3中示意了T1，T2，T3，T4，T5，T6，T7七个时间顺序点的不同模块温度分布图，其中T1T2T3T4T5T6T7。储热系统从开始放热到运行至时间T18时，由于低温流体最先与模块1充分换热，使得此时模块1温度下降最快，同时由于模块内优化通道和嵌入强化传热单元的结果，模块内固体介质温度得以比较均匀的同时下降。流经模块1后，被加热流体进入模。
24、块2与模块2进行充分换热，由于进入模块2的流体温度高于系统进口流体温度T低，与模块2的温差变小，导致模块2温度的下降比模块1小。基于此，被加热流体在模块3的换热能力更小，模块3的温度仅有比较小的下降，流经模块3后流体也被加热至接近T高的温度，使得高温模块4及之后的模块基本没有被冷却，仍维持T高的温度。这样，储热系统内储热模块14的温度从低温到高温呈明显的阶梯状分布。0036储热系统放热至时间T29时，储热模块14继续被冷却从而温度继续下降，温度也呈阶梯状分布。此时模块1已经接近T低的温度，而模块5的温度也开始下降。由于进入模块6及其后模块的流体温度已经被加热至高温，模块6及其后模块仍然为高温模。
25、块。0037储热系统放热至时间T310时，储热模块1和2已经被充分冷却，放热完毕变成温度为T低的低温模块，而模块37从低到高呈阶梯状温度分布，模块8及其后的模块仍然为高温模块。温度在模块37内从低温到高温的阶梯状过渡分布类似于单箱液体储热系统的温跃层分布，温度分布呈温跃层分布的模块区可以称为温跃层模块区，如图3所示，储热系统中温跃层模块区占据约5个模块。这样，此时储热系统内存在三个区域温度为T低的放热完毕的低温模块区模块1和2，温度呈阶梯状分布的正在放热的温跃层模块区模块37，和温度为T高的等待放热的高温模块区模块8N。0038系统放热至时间T411时，低温模块区扩大到模块14，流体流入模块5。
26、才开始被有效加热，而温跃层模块区后移至模块59，高温模块区缩减到模块10N。这里需要指出的是由于各相邻模块间绝热，温跃层模块区后移时基本保持相同的模块数，这对保证储热系统的稳定、高效率运行很重要。0039随着放热的继续进行，温跃层模块区继续往下游方向移动，低温模块不断增加，高温模块不断减少，热量被换热流体不断带出。储热系统放热至时间T512时，高温模块区只剩下两个模块模块N1和N；而放热至时间T613时，高温模块区消失，储热系统只剩下放热完毕的低温模块区和正在放热的温跃层模块区。储热系统继续放热至T714时，温跃层继续后移，此时最下游的模块N，也是系统的最高温模块，的温度有明显下降，储热系统出。
27、口的换热流体温度已经低于设定的最低有效热利用温度，储热系统余下的热能不能被利用，放热过程结束。0040由此可见，放热过程结束时除了存储在温跃层模块模块N3至N，的部分热量不能被有效利用外，其它存储的热能都已经得到有效释放利用。本发明实施例1的储热系统明显具有较高的储热效率，比如，当温跃层模块区包括5个储热模块而储热系统总共包括50个模块时，储热系统的储热效率可以超过90。0041从图3所示的系统放热过程还可以看出换热流体流经低温模块时，由于温度一致，没有热交换；换热流体经过温跃层模块区后被加热成高温流体，与其后的高温模块温度一致，也没有热交换；热交换主要发生在温跃层模块区内。同时，温跃层模块区。
28、内各模块储说明书CN102032823ACN102032826A6/6页8热介质的温度从低到高呈梯度分布，低温流体进入温跃层后被不同温度的储热模块一级级加热到高温流体，过程中较低温度的储热模块与较低温度的流体换热，较高温度的储热模块与较高温度的流体换热。这样，流体与储热系统换热时的平均换热温差大大降低，换热过程的火用损失较少。0042图4给出了本发明实施例2的储热系统结构。与本发明实施例1的储热系统不同的是，本发明实施例2的储热系统布置多个与不同储热模块进、出口管连接的系统流体进口阀和出口阀。如图4所示，储热系统被划分成了MM3个子系统，每个子系统由4个相邻的储热模块组成。除了储热系统中所有模。
29、块内管道仍然通过进、出口管顺序连通组成串联布置外，每个子系统都在最上游的模块的进口管上通过三通管道接入一个系统进口阀，在最下游的模块的出口管上通过三通管道接入一个系统出口阀，同时在最下游的模块内安装测温装置15测量储热介质的温度，作为本子系统的特征温度。各子系统的进口阀并联连接，然后接入储热系统外的流体进口管；各子系统的出口阀并联连接，然后接入储热系统外的流体出口管。储热系统运行时，每间隔一段时间，根据各子系统的特征温度来选择需要开启的唯一的进口阀和出口阀同时关闭其它所有进、出口阀，使得储热系统的换热流体进、出口尽量接近温跃层模块区，而不用流经没有热交换的低温模块区和高温模块区。下面以放热过程。
30、为例，说明选择进口阀和出口阀的方法。吸热过程的阀门选择方法与之类似。0043图5给出了本发明实施例2的储热系统放热过程进出口阀门选择流程。储热系统开始运行时首先开启子系统1的进口阀和出口阀，关闭其它进口阀和出口阀。然后每间隔一个时间段T，就根据各子系统的特征温度重新选择需要开启的唯一的进口阀和出口阀，使得进、出口阀门尽量接近温跃层模块区，直至系统运行结束时关闭所有进口阀和出口阀。控制时需要定义一个稍高于低温T低的温度为临界温度T临界低，测温点低于此温度时表示本模块放热完毕；另外需要定义一个稍低于高温T高的温度为临界温度T临界高，测温点高于此温度时表示本模块尚未开始放热。0044如图5所示，每间。
31、隔一个时间段T后，从第一个子系统开始，按串联顺序逐个检验子系统的特征温度来选择进口阀和出口阀。选择进口阀时，当所有子系统的特征温度都高于T临界低时，说明不存在放热完毕的子系统，此时不需要更换进口阀，继续进行下一个时间段的放热。当子系统I的特征温度低于T临界低，而子系统I1的特征温度高于T临界低时，说明子系统I及其前面子系统内的所有模块都放热完毕，变成低温模块，而子系统I1内的部分模块仍在放热，这样可以跳过子系统I及其前面的子系统，流体直接通过子系统I1的进口阀进入系统，即开启子系统I1的进口阀，关闭原来进口阀。选择出口阀时，当所有子系统的特征温度都高于T临界高时，说明系统刚开始放热，温跃层模块。
32、区仍处在第一个子系统内，此时不需要更换出口阀，继续进行下一个时间段放热。当子系统J的特征温度低于T临界高，而子系统J1的特征温度高于T临界高时，说明子系统J1内有部分模块正在放热，同时有部分模块仍然为高温模块，这样流体可以跳过子系统J1之后的高温模块区，直接从子系统J1的出口阀离开系统，即开启子系统J1的出口阀，关闭原来出口阀。说明书CN102032823ACN102032826A1/3页9图1图2A图2B图2C说明书附图CN102032823ACN102032826A2/3页10图3图4说明书附图CN102032823ACN102032826A3/3页11图5说明书附图CN102032823A。