本發(fā)明屬于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)領域，涉及一種儲能裝置，特別是涉及一種高溫熔鹽相變蓄放熱裝置。

背景技術：

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)存在太陽能發(fā)電周期和用電需求周期不匹配，特別是夜間和陰天時候，無太陽能時造成機組閑置。為了提高發(fā)電效率、減少發(fā)電成本、提高太陽能熱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄熱裝置，以使系統(tǒng)在沒有太陽輻射能量的時候能繼續(xù)滿足發(fā)電需要。

目前常見的在太陽能領域中應用的儲熱方式有的顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學反應蓄熱。顯熱蓄熱介質(zhì)包括固態(tài)和液態(tài)，固態(tài)蓄熱介質(zhì)有砂石、耐火磚、混凝土、蜂窩陶瓷、復相陶瓷等。專利申請?zhí)枮?00910272709.6太陽能熱發(fā)電用混凝土儲熱系統(tǒng)的換熱管道結構布置方法，采用混凝土儲熱系統(tǒng)，溫度可以達到600-900℃，是一種顯熱儲熱方法。液態(tài)蓄熱介質(zhì)主要為熔鹽，由于熔融鹽具有使用溫度范圍廣、相對的熱穩(wěn)定性、導熱性能良好、蒸氣壓低、熱容量大、黏度低且化學穩(wěn)定性好等特點而被廣泛使用。目前商用化塔式系統(tǒng)中基本采用熔鹽蓄熱，蓄熱時間可設計長達15小時，實現(xiàn)了動力系統(tǒng)的不間斷供電，但都使用的是熔鹽的顯熱蓄熱。專利申請?zhí)枮?01620001776.x一種太陽能熔鹽相變蓄熱器，采用相變材料為質(zhì)量比例54％kno3和46％nano3混合的二元硝酸鹽或者質(zhì)量比例40％kno3和60％nano3混合的二元硝酸鹽組成的熔鹽相變材料，最高使用溫度為560℃。顯熱蓄熱時，蓄熱材料在儲存和釋放熱能時，材料的溫度會發(fā)生連續(xù)變化，不能維持恒定的輸出溫度，能釋放的能量密度小，需要龐大的蓄熱系統(tǒng)和設備，占地面積大，成本高。

相變蓄熱可實現(xiàn)恒溫蓄熱和放熱，輸出的溫度和能量穩(wěn)定，且蓄熱密度大，單位容積蓄熱量明顯高于顯熱蓄熱，發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｄ壳耙褜崿F(xiàn)了采用蒸汽作為相變介質(zhì)的中低溫蓄熱，采用高溫相變介質(zhì)的蓄熱還處于研究階段，未有應用于示范項目報道。目前最具潛力的高溫蓄熱相變蓄熱介質(zhì)主要有高溫熔鹽和金屬合金。高溫熔鹽的應用瓶頸在于導熱系數(shù)低，從而影響蓄熱系統(tǒng)的充放熱速率。金屬合金導熱系數(shù)非常高，且蓄熱密度大，具備較高的相變潛熱，熱循環(huán)穩(wěn)定性好。但明顯缺陷是液態(tài)金屬合金腐蝕性強，對相應容器材料要求高，且金屬合金相變材料在蓄熱領域的研究很不充分。

高溫相變材料：當前研究較多的是氟鹽及其共晶混合物、金屬及合金、金屬氧化物、高溫熔融鹽與陶瓷基或金屬基復合蓄熱材料、納米復合材料等。如采用lif-caf2作為空間站循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的蓄熱材料，壽命可達到30年，蓄熱性能非常穩(wěn)定；氯化鈉的相變溫度801℃，相變潛熱406kj/kg，氯化鈣相變溫度782℃，相變潛熱255.4kj/kg；金屬氧化物如moo3(相變溫度795℃，相變焓364kj/kg)、tio2(2020℃，相變焓917kj/kg)、zro2(2680℃，相變焓708kj/kg)等材料，可以在超高溫情況下使用。

此外，目前商用或示范運行的塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用空氣上塔、蒸汽上塔和熔鹽上塔三種方式，后面的發(fā)電系統(tǒng)都采用蒸汽輪機，有相關專利提出空氣布雷頓循環(huán)或者超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)?？諝鈧鳠嵝阅懿睿到y(tǒng)龐大，發(fā)電系統(tǒng)未蒸汽輪機不能很好的利用高溫空氣的熱能。蒸汽上塔由于高溫蒸汽對應的壓力高，當前蒸汽溫度范圍為400-500℃，壓力范圍為5-12mpa，若蒸汽參數(shù)向火電裝置的超臨界參數(shù)發(fā)展，對應的壓力將超過20mpa。需要增加管道以及設備的壁厚，會一定程度上降低吸收太陽輻射熱的換熱系數(shù)，限制了太陽的輻射通量。熔鹽因其高熱容密度、高傳熱系數(shù)及價格低廉成為當前最具潛力及廣泛應用的傳熱介質(zhì)。熔鹽作為吸熱工質(zhì)的同時還可兼做蓄熱工質(zhì)，同時其運行系統(tǒng)壓力低，系統(tǒng)工作相對安全，吸熱器設計更緊湊，制造成本降低，熱損失降低。但是，熔鹽凝固點高，系統(tǒng)需要安全可靠的保溫措施，在無太陽能時需要將熔鹽排回罐里，增加的成本和系統(tǒng)復雜度。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種高溫熔鹽相變蓄放熱裝置，用于解決現(xiàn)有技術中熔鹽蓄熱裝置運行溫度較低，而且利用顯熱蓄放熱，能量密度小，效率低，占地面積達，成本高等問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種高溫熔鹽相變蓄放熱裝置，所述蓄放熱裝置至少包括：

蓄熱器，具有氣體出入口；

由多根蓄熱管組成的蓄熱管陣列，安裝在所述蓄熱器中，所述蓄熱管中裝有凝固點高于750℃的高溫相變材料，利用所述高溫相變材料與進入所述蓄熱器的氣體進行換熱。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述蓄熱管通過密封蓋將高溫相變材料密封其中，所述高溫相變材料和密封蓋之間還密封有保護氣體。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述密封蓋為密封法蘭。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述高溫相變材料中添加有強化傳熱的石墨或者金屬顆粒。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述蓄熱管中還放置有用于增強傳熱的螺旋翅片。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述蓄熱管豎直安裝在所述蓄熱器中，所述蓄熱管陣列呈三角形或者矩形排列

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述蓄熱管管壁為耐高溫腐蝕的復合管壁。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述耐高溫腐蝕的復合管壁為鎳與不銹鋼雙層復合管壁，或者陶瓷與不銹鋼雙層復合管壁。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述蓄熱管通過多層支撐板固定安裝在所述蓄熱器中。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述蓄熱器包括殼體，所述殼體至少包括入口段、腔體段以及出口段；

所述入口段和出口段分別通過法蘭連接發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)管路，作為蓄熱器的氣體出入口；所述腔體段用于安裝所述蓄熱管。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，所述入口段和腔體段之間還安裝有均流板。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，在所述殼體外側(cè)還設置有保溫層。

作為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的一種優(yōu)化的方案，進入所述蓄熱器的氣體為氦氣、超臨界二氧化碳、水蒸氣或者空氣。

如上所述，本發(fā)明的高溫熔鹽相變蓄放熱裝置，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明針對塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，提出一種高溫熔鹽相變蓄放熱裝置，利用白天高溫氣體與熔鹽換熱蓄熱，夜間或無太陽能時，蓄熱器將熱釋放給氣體進行發(fā)電，利用潛熱蓄熱，能提高能量密度，氣體出口溫度穩(wěn)定，可高達750℃左右，裝置結構簡單，效率高。

2、本發(fā)明裝置結構簡單，運行出口介質(zhì)溫度高，能量密度大，不需要伴熱裝置，維護成本低，與布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合，結構緊湊，系統(tǒng)總效率高，經(jīng)濟性好。

3、采用高溫熔鹽蓄放熱，熔鹽凝固點在750℃以上，適合于高溫太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的循環(huán)發(fā)電效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置整體示意圖。

圖2為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置中腔體段固定安裝蓄熱管的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明高溫熔鹽相變蓄放熱裝置中蓄熱管的結構示意圖。

元件標號說明

1蓄熱器

11入口段

12腔體段

13出口段

14均流板

15保溫層

16法蘭

17支撐板

2蓄熱管

21高溫相變材料

22密封蓋

23保護氣體

24螺旋翅片

25復合管壁

251耐腐蝕管壁

252耐高溫承壓管壁

3氣體入口

4氣體出口

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復雜。

現(xiàn)有技術中。采用低溫熔鹽蓄熱，后面只能接蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)，溫度為565℃左右，發(fā)電系統(tǒng)比較龐大。而且利用熔鹽的顯熱蓄熱，蓄熱系統(tǒng)龐大。假設采用硝酸鹽蓄熱裝置蓄熱量為6.42×10⁸kj，這個熱量相當于15mw，持續(xù)運行12小時。硝酸鹽的比熱約為1.5kj/kg.k，按照現(xiàn)有熔鹽蒸汽發(fā)電系統(tǒng)的運行溫度，熔鹽罐的溫度從565℃降到290℃，溫差為275℃，蓄熱系統(tǒng)需要用鹽為1556噸，熔鹽儲存在一個或者幾個大罐中，600℃的溫度，需要很大的壁厚。同時還需要有伴熱保溫裝置，成本高。據(jù)報道，西班牙塞維利亞的全球首座可實現(xiàn)24h發(fā)電的太陽能gemasolar光熱電站，因熔鹽熱罐隔熱和伴熱沒做好溫差大，造成罐底破裂，造成重大的經(jīng)濟損失。

鑒于此，本發(fā)明提供一種新型的高溫熔鹽相變蓄放熱裝置，用于解決上述問題。

如圖1所示，本實施例提供一種高溫熔鹽相變蓄放熱裝置，所述蓄放熱裝置至少包括蓄熱器1和由多根蓄熱管2組成的蓄熱管陣列。其中，所述蓄熱器1具有氣體出入口3、4；所述蓄熱管陣列安裝在所述蓄熱器1中，所述蓄熱管2中裝有凝固點高于750℃的高溫相變材料21，利用所述高溫相變材料21與進入所述蓄熱器1的氣體進行換熱。

如圖3所示為蓄熱管2，所述蓄熱管2一端為盲管，另一端通過密封蓋22將所述高溫相變材料21密封其中。所述密封蓋22可以優(yōu)選為密封法蘭，在此不限。

作為示例，所述高溫相變材料21和密封蓋22之間還密封有保護氣體23。所述保護氣體34優(yōu)選為惰性氣體。所述保護氣體34一方面可以吸收高溫相變材料21熔解和凝固過程的體積膨脹，另一方面可以防止高溫相變材料21對密封蓋22的腐蝕。

作為示例，本發(fā)明采用高溫相變材料21作為蓄放熱介質(zhì)，所述高溫相變材料21可以是氯鹽等熔鹽，例如，可以是氯化鈉，凝固點(相變溫度)高于800℃，但不限于此。采用氯化鈉熔鹽，蓄熱量為6.42×10⁸kj，需要熔鹽724噸，而且氣體出口溫度可以穩(wěn)定在750℃以上，系統(tǒng)發(fā)電效率高。另外，現(xiàn)有技術中所用硝酸鹽的價格為4000元/噸，而工業(yè)用鹽(氯化鈉)價格便宜很多，因此成本低。采用本發(fā)明的高溫蓄熱裝置，利用熔鹽的相變蓄熱，不僅傳遞給做功工質(zhì)的溫度高，效率高，而且在相變過程出口溫度恒定，同樣的蓄熱裝置，所需熔鹽量小。

為了提高高溫相變材料21的導熱系數(shù)，可以在所述高溫相變材料21中添加具有有強化傳熱作用的石墨或者金屬顆粒等，但是并不限于此。蓄熱管2中的高溫相變材料21不流動，不需要泵等附屬裝置，結構簡單。

所述蓄熱管2中還放置有螺旋翅片24，通過所述螺旋翅片24可以增大傳熱面積，從而進一步增強傳熱效果，提高蓄放熱速率，所述螺旋翅片24優(yōu)選為金屬螺旋翅片。

作為示例，所述蓄熱管2選擇耐相變材料腐蝕的復合管，其管壁選擇耐高溫腐蝕的復合管壁25。例如，所述耐高溫腐蝕的復合管壁25可以為鎳與不銹鋼雙層復合管壁，也可以是陶瓷與不銹鋼雙層復合管壁，還可以是其他適合材料的耐高溫腐蝕的復合管壁。其中鎳或陶瓷設置在里層作為耐腐蝕壁面251，不銹鋼設置在外層作為耐高溫承壓管壁252，耐高溫的不銹鋼承壓管壁的材料可以為316s或者321h等。本實施例中。采用直徑為40mm，壁厚為3mm的陶瓷管與不銹鋼的雙層復合管壁作為蓄熱管2的管壁。

作為示例，如圖2所示，在蓄熱器1中設置一多層支撐板17，通過多層支撐板17將蓄熱管2固定安裝在所述蓄熱器1中。進一步地，所述蓄熱管2豎直安裝在所述蓄熱器1的多層支撐板17中，其盲管一端朝下，密封蓋22一端朝上。所述蓄熱管陣列的排列形式不限，根據(jù)熱負荷要求，合理設計管束規(guī)格尺寸，可以是三角形或者矩形排列等，從發(fā)電系統(tǒng)管道進來的氣體從殼程(蓄熱器殼體和蓄熱管外壁間)流過吸熱或者放熱。。

如圖1所示，所述蓄熱器1包括殼體，所述殼體至少包括入口段11、腔體段12以及出口段13；所述入口段11和出口段13分別通過法蘭16連接發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)管路(未予以圖示)，作為蓄熱器1的氣體出入口3、4；所述腔體段12用于安裝所述蓄熱管2。

所述入口段11和出口端13均為縮口段，所述入口段11和腔體段12之間還安裝有均流板14，以使進入腔體段12的氣體介質(zhì)流場均勻，提高換熱效果。

另外，在所述殼體外側(cè)還設置有保溫層15。所述蓄熱管2外不需要保溫裝置，系統(tǒng)運行中不需要加熱裝置，比現(xiàn)有的顯熱液態(tài)熔鹽蓄熱簡單，不必擔心熔鹽凝固凍堵等問題。

進入所述蓄熱器1，用于與蓄熱管2內(nèi)所述相變材料21進行換熱的氣體介質(zhì)種類不限，只要能上塔吸熱到高溫即可。例如可以是氦氣、超臨界二氧化碳、水蒸氣或者空氣等。本實施例中，采用氦氣作為氣體換熱介質(zhì)，則發(fā)電系統(tǒng)所采用的動力系統(tǒng)為布雷頓閉式循環(huán)的氦氣輪機系統(tǒng)。

本發(fā)明的高溫熔鹽相變蓄放熱裝置的具體工作過程為：

首先，將高溫相變材料21裝入蓄熱管2中，通入保護氣體23，并蓋上密封蓋22；

然后，將多個蓄熱管2安裝固定在蓄熱器1中的多層支撐板17上，并將蓄熱器1兩端的氣體出入口3、4通過法蘭16與發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)管路相連；

初始時刻管內(nèi)相變材料都處于室溫狀態(tài)，白天，氣體從集熱塔上吸收的熱量大部分用于發(fā)電，少部分通過發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)管路流進本發(fā)明蓄熱器1，將熱量存儲在蓄熱管2的相變材料21中，該過程中相變材料21吸熱溫度升高，高溫氣體流過蓄熱管2放熱溫度降低成為低溫氣體，低溫氣體通過氣體出口4重新到集熱塔上吸收熱量，重復循環(huán)，逐漸將管內(nèi)相變材料21的溫度升高到凝固點以上直到最后熔化，等溫吸熱，溫度繼續(xù)升高到凝固點以上完全液化。而到了夜間，低溫氣體流過蓄熱器1吸熱升溫，蓄熱管內(nèi)相變材料21放熱溫度降低，重復循環(huán)，直到蓄熱管2內(nèi)的相變材料21放熱溫度降低到凝固點以下。

本發(fā)明以nacl熔鹽作為高溫相變材料為例，循環(huán)氣體為氦氣，對放熱過程進行設計計算如下。氦氣入口溫度417.5℃，質(zhì)量流量為6.94kg/s，氦氣入口壓力0.337mpa，nacl熔鹽初始溫度為800℃，持續(xù)工作12小時，蓄熱量不小于5.96×10⁸kj。分別取氦氣的入口流速為1m/s和2m/s進行設計計算。換熱管尺寸壁厚為3mm，換熱管內(nèi)徑為φ＝40mm，換熱管采用正三角形布置，管間距取d＝1.2φ。

初步計算的結果如下表1：

由計算分析可知，采用本發(fā)明裝置的蓄熱器方案，結構簡單，方案可行，蓄熱量大，所用熔鹽量小，是現(xiàn)有顯熱蓄熱方案熔鹽的一半，而且本方案的熔鹽容易獲取，成本低。同時，也降低了整體的設備加工和維護成本。

所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。