CN108548340B - 太阳能储能罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能储能罐，包括罐体，罐体的侧面设置有高温流体出入口，罐体的顶部和底部均设置有低温流体出入口，罐体内部由上至下依次设置有多个填充层，填充层内均填充有传热介质，多个填充层的传热效率由中部向上下两端减小。本发明有效实现了罐体内传热介质的均匀加热和冷却，增加了传热流体在罐体内流动的均匀性，提高了储能罐的传热效率和整体传热速度，大大减少了传热时间，提升了储能罐的储能效率；结构更加简单、占地面积小、使用方便，成本较低；增加了储能罐的使用寿命和周期，提升了太阳能的总体利用率。

Description

太阳能储能罐

技术领域

本发明涉及太阳能存储技术领域，具体涉及一种太阳能储能罐。

背景技术

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，具有无污染、环境友好等特点，因此利用太阳能来取代现有的化石能源已成为能源利用的新趋势，这不仅可以节约大量化石能源，还可以减少因化石能源使用而带来的环境污染。目前通常利用储能***来实现太阳能的存储，太阳能储能***通常是利用储能罐来存储太阳能，储能罐内设置有储能介质，太阳能储能***是在太阳辐照强度比较强的时候利用储能介质实施热交换而将太阳能储存起来，在太阳辐射强度比较弱或者没有太阳的时候再利用储存的太阳能来提供能源。但是现有储能***的储能罐，存在以下缺点：

1、现有的储能罐在存储加热或冷却过程中，储能介质不能很好的实现温度场的时空一致，均匀性和传热效果差，***的循环效率和循环次数较低，***使用寿命低，太阳能的总体利用率较低；

2、现有的储能罐通常采用一个冷储罐和一个热储罐的双罐***，该***占地面积大、初投资较高；

3、现有的储能罐都需布置繁杂的管道，不仅存储效率不高，而且由于管道的材质要求较高，导致管道布置所需的费用也比较高；

4、现有的储能罐的流体进出通常采用上进下出和下进上出的流动模式，这种流动模式容易出现温跃层，温跃层区域的大小会直接影响储能***的效率和热力学性能。

鉴于以上缺陷，现有储能***的储能罐无法满足使用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种太阳能储能罐，以实现罐体内传热介质的均匀加热和冷却，增加传热流体在罐体内流动的均匀性，提高储能罐的传热效率和整体传热速度，减少传热时间，提升储能罐的储能效率；结构更加简单、占地面积小、使用方便，成本较低；增加储能罐的使用寿命和周期，提升太阳能的总体利用率。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种太阳能储能罐，包括罐体，所述罐体的侧面设置有高温流体出入口，罐体的顶部和底部均设置有低温流体出入口，所述罐体内部由上至下依次设置有多个填充层，所述填充层内均填充有传热介质，多个所述填充层的传热效率由中部向上下两端减小。

所述罐体呈圆筒状。

每个所述填充层内的传热介质呈径向均匀扩散分布。

所述传热介质为显热蓄热材料或相变胶囊，所述相变胶囊内填充有

所述显热蓄热材料为固体蓄热材料。

所述填充层内传热介质的填充孔隙率为0.1～0.8。

所述填充层内传热介质的填充孔隙率为0.2～0.5。

多个所述填充层的高度相同。

所述罐体外壁上设置有保温层。

多个所述填充层的顶部铺设有绝缘板，所述绝缘板的上部铺设有导热金属网，所述绝缘板上设置有多个孔洞。

本发明具有以下有益效果：本实施例的太阳能储蓄罐，有效增加了传热流体在罐体内流动的均匀性，实现了传热介质的均匀加热和冷却，提高了储能罐的传热效率和整体传热速度，大大减少了传热时间，提升了储能罐的储能效率；结构更加简单、占地面积小、使用方便，成本较低；对于多种不同的传热流体都能实现高效率传热，增加了储能罐的使用寿命和周期，提升了太阳能的总体利用率。

附图说明

图1是本发明的太阳能储能罐的结构示意图；

图2是图1中A-A方向的剖视结构示意图；

图3是填充孔隙率和传热效率的曲线关系图；

图中：1、罐体，11、环状罐身，12、顶盖，13、底盖，14、高温流体出入口，15、低温流体出入口，2、第一填充层，3、第二填充层，4、第三填充层，5、绝缘垫，6、导热金属网。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种太阳能储能罐，包括罐体1，罐体1的侧面设置有高温流体出入口14，罐体1的顶部和底部均设置有低温流体出入口15，罐体1的内部由上至下依次设置有多个填充层，填充层内均填充有传热介质，多个填充层的传热效率由中部向上下两端减小，可以理解地，多个填充层的传热效率由中部向上下两端可以呈连续性减小，也可呈断续性减小，例如其中一个填充层的传热效率为70%，其相邻填充层的传热效率为65%。例如，如图1所示的罐体1内由上至下依次设置有第一填充层2、第二填充层3和第三填充层4，第二填充层3的传热效率最高，第一填充层2和第三填充层4的传热效率均小于第二填充层3的传热效率。

多个填充层的传热效率由中部向上下两端逐渐减小，可使得传热流体进入罐体后，能够从中部分流，减少流动阻力，中部区域换热更快，大大增加多个填充层构成的整体的传热速度，缩短传热时间。

另外，罐体1的侧面设置有高温流体出入口14，罐体1的顶部和底部均设置有低温流体出入口15，可使得传热流体从罐体1的侧面流入而从罐体1的顶部、底部流出，或者从罐体1的顶部、底部流入，而从罐体1的侧面流出，该流动方式能够有效避免产生温跃层，使得换热更加彻底，效率更高，太阳能储能效率得以大大提高。

其中，罐体1呈圆筒状。现有的储能罐多采用矩形形状而导致其储能介质的加热或冷却过程具有不均匀的缺点，传热效果也较差，本实施例的罐体1采用圆筒状的形式，可使得罐内的传热介质均匀加热和冷却，增加传热效果及分布规律，实现传热介质加热冷却的时空一致性和均匀性，达到高效换热和高效储能的效果，增加***的使用周期和寿命。此外罐体1采用圆筒状的形式，也可有效减少***占地面积。

进一步地，高温流体出入口14设置于靠近中部填充层的位置，以更利于增加高温流体在罐体1内的传热速度，缩短传热时间。

在其中一个实施方式中，罐体1包括环状罐身11，环状罐身11顶部连接有顶盖12，环状罐身11底部连接有底盖13，环状罐身11的圆周面上设置有高温流体出入口14，顶盖12和底盖13上均设置有低温流体出入口15。该结构形式的罐体1更便于填充层的布置。

进一步地，环状罐身11的顶部和底部均向外部延伸形成环状凸缘，环状罐身11顶部的环状凸缘和顶盖12之间可通过螺栓连接，环状罐身11底部的环状凸缘和底盖13之间也可通过螺栓连接。该连接方式更利于安装和拆卸，也更便于加工。

其中，如图2所示，每个填充层内的传热介质沿径向均匀扩散分布。具体的，传热介质以罐体1的轴线为中心，沿径向等间距的向外扩散分布，该方式可使得每个填充层的传热效率自中部向周向边缘逐渐减小，从而更利于提高填充层的传热速度。

传热介质为显热蓄热材料或相变胶囊，相变胶囊内填充有相变蓄热材料。其中显热蓄热材料是利用物质本身温度的变化过程来进行热量的储存，相变蓄热材料是利用物质在相变（如凝固/熔化、凝结/汽化、固化/升华等）过程发生的相变热来进行热量的储存。这里将相变蓄热材料设置于胶囊内，能够更好地适应相变蓄热材料的相变过程，同时胶囊结构也更利于在罐体内填充和布置。

其中，显热蓄热材料为固体蓄热材料，更利于材料的排布和传热效率的控制。具体的，可采用尺寸为2英尺左右的固体颗粒。

在其中一个实施方式中，固体蓄热材料为二氧化硅颗粒、氧化铁颗粒、氢氧化铁颗粒、石英岩和硅砂中的一种或多种。

相变蓄热材料可采用硝酸钠球，蓄热效果较好。

在其中一个实施例中，填充层内传热介质的填充孔隙率为0.1～0.8。进一步地，填充层内传热介质的填充孔隙率为0.2～0.5。优选的，填充孔隙率为0.22，该孔隙率能够使得填充层的热交换效率和储热效率达到最佳。显热或潜热存储时，传热流体是通过传热介质之间的孔隙进行传热，在上述孔隙率的范围内进行传热，可有效提高填充层和罐体整体的传热效率，达到较好的热力学效果。如图3所示，随着孔隙率增加，传热效率也相应增加，在填充的孔隙率达到0.22之前，传热效率的增长幅度较大，在孔隙率达到0.22之后，传热效率的增长幅度较为平缓，呈现边缘性增长（增长幅度很小）；由于孔隙率越大，进入罐体的传热流体的容量也越大，而传热流体的容量越大会使得流体输出时的温度也越高，例如进入罐体的传热流体温度为515℃，输出时传热流体的温度也会达到400℃左右，输出的传热流体的温度较高会增加输出的危险性，也会后续***设置提出较高的要求，增加花费，另外传热流体的容量越大也会使得罐体的存储花费较高，因此，在综合考虑上述因素的情况下，较佳孔隙率应在保证传热效率同时控制在低值，以使传热流体容量要求最小化，所以最佳孔隙率范围可采用0.2～0.5，最佳值可取用0.22，孔隙率大于0.22时，传热效率增长幅度已经很小，孔隙率选用0.22，既可以达到较高的传热效率，又可以保证传热流体的容量不会过大，降低花费和危险性。

在其中一个实施方式中，多个填充层的高度相同，相邻填充层可采用不同的传热介质，以更便于根据罐体高度布置填充层，便于操作，提高布置效率。

在其中一个实施方式中，罐体1的外壁上设置有保温层，以提高罐体1的换热效率。优选的，保温层采用玻璃棉。

优选的，罐体1可采用奥氏体不锈钢，以使得罐体1具有较低的导热率，减少传热损失。

在其中一个实施方式中，多个填充层的顶部铺设有绝缘板5，绝缘板5的上部铺设有导热金属网6，绝缘板5上设置有多个孔洞以便于传热和流体流动。绝缘板5的设置可防止外界能量交换，有效保证存储能量，也利于存储能量地准确计算；导热金属网6一方面可起到导热作用，防止从导热金属网6流出的流体的温度过高，另一方面，对其下方的填充层施加一定的压紧力，防止出现热胀冷缩现象。

进一步地，绝缘板5可采用塑料板，导热金属网可6采用不锈钢网。

下面以高度为7.7m的储能罐为例具体说明本实施例的太阳能储能罐的工作原理：

当储热***加载时，传热流体（高温流体）从高温流体出入口14进入罐体1内并流入填充层，高温流体与填充层内的传热介质进行热交换，热交换之后，高温流体温度下降，最终以低温流体的形式从低温流体出入口15流出，这个过程中储能罐也实现了储热；当储热***放载时，传热流体（低温流体）从低温流体出入口15进入罐体1内并流入填充层，低温流体与填充层内的传热介质进行热交换，热交换之后，低温流体温度上升，最终以高温流体的形式从罐体1侧面的高温流体出入口14流出；

上述过程中的高温流体和低温流体均可以是空气、熔盐、合成油或蒸汽，其中熔盐为共晶的氯化钠和硫酸钾，使用效果更好。本实施例的储能罐结构还能够很大程度的降低了流体对储能罐的腐蚀性。

本实施例的太阳能储蓄罐，在轴向上实现对流换热，并通过传热效率由轴向中部向上下两端逐渐减小来布置填充层，以及每个填充层上传热介质的径向分布，有效实现了传热流体流动的均匀性、传热介质的均匀加热和冷却，提高了储能罐的传热效率和整体传热速度，大大减少了传热时间，利于节能，经计算得出，相对现有的储能罐结构来说，本实施例的太阳能储蓄罐的传热时间能缩短20%左右；另外采用在罐体1的侧面设置高温流体出入口14，罐体1的顶部和底部均设置低温流体出入口15的形式，更好地提高了储能罐的储能效率，经过控制能量方程的计算，其储能效率可达到80%以上；此外罐体1的结构更加简单，无需布置双罐***（冷储罐和热储罐），也无需布设繁杂的管道，可节省费用13%左右，占地面积也可减少3%；对于多种不同的传热流体都能实现高效率传热，并实现了传热过程的可逆性，提高了储能***的传热效率，增加了储能罐的使用寿命和周期，提升了太阳能的总体利用率。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种太阳能储能罐，其特征是，包括罐体，所述罐体的侧面设置有高温流体出入口，罐体的顶部和底部均设置有低温流体出入口，所述罐体内部由上至下依次设置有多个填充层，所述填充层内均填充有传热介质，多个所述填充层的传热效率由中部向上下两端减小；高温流体出入口设置于靠近中部填充层的位置；

所述罐体呈圆筒状；每个所述填充层内的传热介质沿径向均匀扩散分布。

2.如权利要求1所述的太阳能储能罐，其特征是，所述传热介质为显热蓄热材料或相变胶囊，所述相变胶囊内填充有相变蓄热材料。

3.如权利要求2所述的太阳能储能罐，其特征是，所述显热蓄热材料为固体蓄热材料。

4.如权利要求1所述的太阳能储能罐，其特征是，所述填充层内传热介质的填充孔隙率为0.1～0.8。

5.如权利要求4所述的太阳能储能罐，其特征是，所述填充层内传热介质的填充孔隙率为0.2～0.5。

6.如权利要求1所述的太阳能储能罐，其特征是，多个所述填充层的高度相同。

7.如权利要求1所述的太阳能储能罐，其特征是，所述罐体外壁上设置有保温层。

8.如权利要求1所述的太阳能储能罐，其特征是，多个所述填充层的顶部铺设有绝缘板，所述绝缘板的上部铺设有导热金属网，所述绝缘板上设置有多个孔洞。

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