一种基于相变储热的光热供气系统及供气方法

技术领域

本发明属于储热技术领域，尤其涉及一种基于相变储热的光热供气系统及供气方法。

背景技术

太阳能技术在采暖供汽方面已有广泛的应用，但是太阳能具有时间和空间上的不均匀性和间接性，无法保证采暖供汽的稳定性。储能技术能够有效平衡能源利用系统中不协调的供能与耗能之间的关系，避免不合理的能源利用，提高能源利用率，所以发展储能技术是缓解能量供求双方在时间、强度上不匹配的重要途径。将太阳能技术与储能技术相结合，在日间光照强时同时进行储能、采暖供汽，在夜晚或日间光照弱时，储能系统运行，利用之前储存的能量进行采暖供汽，实现24小时连续采暖供汽。相变储热技术具有恒温储热释热、储热密度高、体积小、工艺简单的特点，在太阳能利用、工业余热利用、风电供热、热电机组深度调峰、建筑节能等领域中具有极大的应用前景。

目前，典型的光热采暖供汽系统一般采用熔盐储热系统，成本高、安全性低，限制了其在市场上的应用，因此设计一种成本低、安全性高、适用性强的光热采暖供汽系统是十分有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相变储热的光热供气系统及供气方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于相变储热的光热供气系统包括集热系统、相变储热器、换热器和储罐，并且相互之间设置若干阀门；

所述集热系统的冷端入口与所述储罐的出口连接，所述集热系统的热端出口分别与所述相变储热器的热端出/入口、换热器的热端入口连接，所述相变储热器的冷端出/入口分别与储罐的出口、储罐的第一入口连接，所述换热器的冷端出口与储罐的第二入口连接。

集热系统的作用是将光辐射转换为热能的系统；储罐的作用是储存传热介质；

相变储热器具有储热量大、体积小、储释热温度恒定的优点，因此引入相变储热器，对集热系统的要求相对而言不高，可以适用于面积受限的场合。

进一步地，所述集热系统的热端出口与所述换热器的热端入口之间通过第一管道连接，所述第一管道上开设有第一分支点，所述第一分支点与所述相变储热器的热端出/入口之间通过第二管道连接，所述集热系统的冷端入口与所述储罐的出口之间通过第三管道连接，所述第三管道上开设有第二分支点，所述相变储热器的冷端出/入口与所述储罐的第一入口之间通过第四管道连接，所述第四管道上开设有第三分支点，所述第二分支点与所述第三分支点之间通过第五管道连接。

进一步地，所述集热系统的热端出口与所述第一管道上的第一分支点之间设有第一阀门，所述第二管道上设置第二阀门，所述第四管道上的第三分支点与所述储罐的第一入口之间设置第三阀门，所述第五管道上设置第四阀门，所述集热系统的冷端入口与所述第三管道上的第二分支点之间设置第五阀门。

进一步地，所述第三管道上的第二分支点与所述储罐的出口之间设置泵。

进一步地，所述光热供气系统中的传热工质为水或导热油。

进一步地，所述相变储热器包括两个以上的储热单元，所述储热单元之间相互串联或并联。

利用上述基于相变储热的光热供气系统进行供汽的方法为：

光照充足时，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门开启，第四阀门关闭，泵启动，集热系统运行，传热工质经集热系统加热后一部分流向相变储热器，加热相变储热材料，相变储热器进行储热；另一部分流向换热器，作为热源向用户输出工业蒸汽；最终经换热降温后两股的传热工质流向储罐；

光照不足时，第二阀门、第四阀门开启，第一阀门、第三阀门和第五阀门关闭，泵启动，集热系统停止运行，相变储热器进行释热，储罐中的传热工质流向相变储热器，传热工质吸收热量后流向换热器，作为热源向用户输出工业蒸汽，最终经换热降温后的传热工质流向储罐。

白天光照充足时，集热系统运行，低温传热工质经集热系统加热后，变为高温传热工质后，一部分流向相变储热器，加热相变储热材料，进行储热流程；另一部分流向换热器，作为热源向用户输出工业蒸汽；最终两股高温传热工质变为低温传热工质流向储罐；

夜晚时，集热系统停止运行，相变储热器进行释热，储罐中的低温传热工质流经相变储热器，吸收热量，变为高温传热工质后，流向换热器，作为热源向用户输出工业蒸汽，最终流向储罐。

有益效果：

(1)本发明提供的一种基于相变储热的光热供气系统，包括集热系统、相变储热器、换热器和储罐，并且相互之间设置若干阀门；通过引入相变储热器，使得集热系统的温升可以控制在较小的范围内，从而使得本发明的光热供气系统适用于分布式光热应用场景或者场所受限的场合。

(2)本发明利用相变材料的特性，使得系统在储热、释热过程中具有良好的稳定性，实现相变储热器在储热与释热工况下的负荷相对平稳，向用户稳定地输出工业蒸汽。

(3)本发明通过阀门组合设计，保证高温传热介质始终从相变储热器的一端流入或流出，可以有效防止材料在相变过程中体积变化对相变储热器造成损坏，使系统具有较高的安全性、可靠性。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为一种基于相变储热的光热供气系统的结构示意图。

附图标记：1、集热系统；2、储罐；3、相变储热器；3-1、第一储热单元；3-2、第二储热单元；4、换热器；5、泵；V1、第一阀门；V2、第二阀门；V3、第三阀门；V4、第四阀门；V5、第五阀门。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1所述，提供一种基于相变储热的光热供气系统包括集热系统1、相变储热器3、换热器4和储罐2，并且相互之间设置若干阀门；

所述集热系统1的冷端入口与所述储罐2的出口连接，所述集热系统1的热端出口分别与所述相变储热器3的热端出/入口、换热器4的热端入口连接，所述相变储热器3的冷端出/入口分别与储罐2的出口、储罐2的第一入口连接，所述换热器4的冷端出口与储罐2的第二入口连接。

集热系统1的作用是将光辐射转换为热能的系统；储罐的作用是储存传热介质；

如图1所示，当相变储热器3进行储热时，相变储热器3的左端是热端入口，右边是冷端出口；当相变储热器3进行释热时，相变储热器3的左边是热端出口，右边是冷端入口。

所述集热系统1的热端出口与所述换热器4的热端入口之间通过第一管道连接，所述第一管道上开设有第一分支点，所述第一分支点与所述相变储热器3的热端出/入口之间通过第二管道连接，所述集热系统1的冷端入口与所述储罐2的出口之间通过第三管道连接，所述第三管道上开设有第二分支点，所述相变储热器3的冷端出/入口与所述储罐2的第一入口之间通过第四管道连接，所述第四管道上开设有第三分支点，所述第二分支点与所述第三分支点之间通过第五管道连接。

所述集热系统1的热端出口与所述第一管道上的第一分支点之间设有第一阀门V1，所述第二管道上设置第二阀门V2，所述第四管道上的第三分支点与所述储罐2的第一入口之间设置第三阀门V3，所述第五管道上设置第四阀门V4，所述集热系统1的冷端入口与所述第三管道上的第二分支点之间设置第五阀门V5。

所述第三管道上的第二分支点与所述储罐2的出口之间设置泵5。

所述光热供气系统中的传热工质为水或导热油，其输送通过泵5来实现。

利用上述基于相变储热的光热供气系统进行供汽的方法为：

光照充足时，第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3和第五阀门V5开启，第四阀门V4关闭，泵5启动，集热系统1运行，传热工质经集热系统1加热后一部分流向相变储热器3，加热相变储热材料，相变储热器3进行储热；另一部分流向换热器4，作为热源向用户输出工业蒸汽；最终经换热降温后两股的传热工质流向储罐2；

光照不足时，第二阀门V2、第四阀门V4开启，第一阀门V1、第三阀门V3和第五阀门V5关闭，泵5启动，集热系统1停止运行，相变储热器3进行释热，储罐2中的传热工质流向相变储热器3，传热工质吸收热量后流向换热器4，作为热源向用户输出工业蒸汽，最终经换热降温后的传热工质流向储罐2。

白天光照充足时，集热系统1运行，低温传热工质经集热系统1加热后，变为高温传热工质后，一部分流向相变储热器3，加热相变储热材料，进行储热流程；另一部分流向换热器4，作为热源向用户输出工业蒸汽；最终两股高温传热工质变为低温传热工质流向储罐2；

相变储热器3储热时，相变材料的温度理论恒定，实际变化较小，因此集热系统1的温升可以控制在较小的范围内，即可完成储热流程。

夜晚时，集热系统1停止运行，相变储热器3进行释热，储罐2中的低温传热工质流经相变储热器3，吸收热量，变为高温传热工质后，流向换热器4，作为热源向用户输出工业蒸汽，最终流向储罐2。

本实施例中相变储热器3采用相变温度为230℃的材料作为储热介质，所述相变储热器3包括两个储热单元，分别为第一储热单元3-1和第二储热单元3-2，所述储热单元之间相互并联。相变储热材料为中温相变储热材料。

各储热单元采用并联连接，采用水作为传热介质，利用本发明提供的基于相变储热的光热供气系统进行供汽的方法为：

白天光照充足时，第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3、第五阀门V5开启，第四阀门V4关闭，泵5启动，工质水经集热系统1加热成为高温饱和蒸汽后，一部分流入相变储热器3中加热相变储热材料，液化为水，随后流入储罐2中；另一部分流入换热器4中，液化为水，作为热源向用户供汽，随后流入储罐2中。储罐2中的工质水流入集热系统1中，进行循环储热、供汽。相变储热器3储热的初始温度为220℃，当其升温至240℃时储热结束。

夜晚或光照不充足时，第二阀门V2、第四阀门V4开启，第一阀门V1、第三阀门V3、第五阀门V5关闭，泵5启动，储罐2中的工质水直接流向相变储热器3中，吸收相变储热材料的热量变为高温水后流向换热器4，作为热源向用户供汽，随后流入储罐2中，进行循环释热、供汽。相变储热器3释热的初始温度为240℃，当其降温至220℃时释热结束。

换热器4中传热工质水的进口温度，即换热器4的热端入口温度为280℃-210℃，换热器4中传热工质水的出口温度，即换热器4的冷端出口温度为260℃-190℃，压力6.5Mpa；蒸汽侧进口温度为90℃，蒸汽侧出口温度为173℃，压力0.8Mpa，传热工质将热量传递给蒸汽，将蒸汽侧90℃的水加热至173℃的水蒸气。

实施例2

本实施例中相变储热器3采用相变温度为260℃的材料作为储热介质，所述相变储热器3包括两个储热单元，分别为第一储热单元3-1和第二储热单元3-2，各储热单元采用并联连接，采用导热油作为传热介质，本发明系统的使用方法与实施例1相似。白天光照充足时，进行储热、供汽，相变储热器3储热的初始温度为250℃，当其升温至270℃时，储热结束。夜晚或光照不充足时，进行释热、供汽，相变储热器3释热的初始温度为270℃，当其降温至250℃时释热结束。

换热器4中传热工质导热油的进口温度，即换热器4的热端入口温度为为300℃-240℃，换热器4中传热工质导热油的出口温度，即换热器4的冷端出口温度为250℃-190℃，压力常压；蒸汽侧进口温度为90℃，蒸汽侧出口温度为173℃，压力0.8Mpa。

本发明提供的基于相变储热的光热供汽系统，操作简单、安全性高、稳定性高，可以实现全天候的供汽，适用于日照强的地区，对可再生能源就地消纳具有重要意义。本发明引入了相变储热器3，使得集热系统1的温升可以控制在较小的范围内，适用于分布式光热应用场景或者场所受限的场合，可实现相变储热器3在储热与释热工况下的负荷相对平稳，向用户稳定地输出工业蒸汽。本发明通过阀门组合设计，保证高温传热介质始终从相变储热器3的一端流入或流出，可以有效防止材料在相变过程中体积变化对储热器造成的损坏。

最后应说明的是：本发明不限于上述实例，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明专利的保护范围内。