一种太阳能多温区热联供的填充床储热系统

本申请属于相变储热，更具体地说，是涉及一种太阳能多温区热联供的填充床储热系统。

背景技术：

1、太阳能作为一种清洁的可再生能源，是目前低碳发展的理想能源之一。太阳能资源的规模化利用主要有太阳能光伏发电、太阳能集中供热等。然而在太阳能的利用过程中，其间歇性和波动性会影响系统的稳定性，不能满足用户连续能源供应的需求。在此背景下，有必要开发高效储热技术解决太阳能的转换、存储和利用的问题。

2、单罐相变填充床储热系统是将相变材料封装在尺寸较小的相变胶囊内，再填充到储热罐内形成填充床，不同温度的流体进入填充床中会因密度差实现分层，低温流体在下方，高温流体在上方，存在温差的区域形成斜温层。斜温层阻止了储热罐内冷、热流体的掺混，保证系统储、放热正常运行。然而，现有的单罐相变填充床储热系统采用的是纯相变材料，这样普遍存在导热系数低、循环稳定性差、成本高等缺陷，不仅造成储放热用时较长，降低填充床储热系统的热性能；同时储热系统经济成本高，输出温度无法灵活调节。如何降低装置成本、提升系统性能被认为是一个重大挑战。

3、从长远来看，单罐相变填充床储热技术是具有极大发展潜力的，因此，开发应用于太阳能热利用技术的高效单罐相变填充床储热系统具有一定的工程意义和价值。

技术实现思路

1、针对现有太阳能热利用系统稳定性差，不能满足用户连续能源供应需求的问题，本申请实施例的目的在于提供一种太阳能多温区热联供的填充床储热系统，该填充床储热系统将太阳能及相变储能有机结合，能够实现对不稳定太阳能集热器热能输入、不同用户热能需求下的高效存储与利用。

2、为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种太阳能多温区热联供的填充床储热系统，包括：太阳能集热模块、填充床储热模块和换热模块；

3、所述填充床储热模块包括储热罐，所述储热罐内上下间隔设置有多块均流板，所述均流板将所述储热罐内分层多个温区；各所述温区内填充有相对应相变温度的相变储热单元；

4、所述太阳能集热模块分别与所述填充床储热模块和所述换热模块连接并通过传热流体进行换热；所述换热模块与用户端连接；

5、所述换热模块并联设置多个换热组件，各所述温区与相对应的所述换热组件连接。

6、在一个实施方式中，所述换热组件并联设置有三个，分别为第一换热组件、第二换热组件和第三换热组件，所述温区设置有三个，分别为高温区、中温区及低温区。

7、在一个实施方式中，所述太阳能集热模块包括：太阳能集热器、水箱和离心泵，所述离心泵通过第一管道分别与所述水箱和所述太阳能集热器连接；

8、所述太阳能集热器与所述离心泵之间的所述第一管道上设有第一阀门；

9、所述太阳能集热器通过第二管道与所述换热模块连接，所述第二管道上设有第二阀门。

10、在一个实施方式中，所述储热罐的顶部设置第一传热流体出入口，所述储热罐的中部对称设有第二传热流体出入口和第三传热流体出入口，所述储热罐的底部设有第四传热流体出入口；

11、所述第一传热流体出入口通过第三管道与所述太阳能集热模块连接，所述第一传热流体出入口通过第四管道与所述第一换热组件连接；第三管道上设有第三阀门，第四管道上设有第四阀门；

12、所述第二传热流体出入口通过第五管道与第一阀门和离心泵之间的第一管道连接，第五管道上设有第五阀门；

13、所述第三传热流体出入口通过第六管道与所述第二换热组件连接，所述第六管道上设有第六阀门；

14、所述第四传热流体出入口通过第七管道与所述水箱连接，所述第四传热流体出入口通过第八管道与所述第三换热组件连接，所述第七管道上设有第七阀门，所述第八管道上设有第八阀门。

15、在一个实施方式中，所述高温区、中温区及低温区从上至下进行分布，所述第一传热流体出入口与所述高温区连通，所述第二传热流体及所述第三传热流体与所述中温区连通，所述第四传热流体出入口与所述低温区连通。

16、在一个实施方式中，所述相变储热单元包括球体以及填充在所述球体内的复合相变材料，所述复合相变材料的相变温度为30-70℃。

17、在一个实施方式中，所述复合相变材料包括相变材料和高导热材料；高温区的相变材料为50-70℃的脂肪酸类、醇类或石蜡类中的至少一种，中温区的相变材料为40-50℃的脂肪酸类、醇类或石蜡类中的至少一种，低温区的相变材料为30-40℃无机水合盐类化合物中的至少一种；所述高导热材料为石墨、石墨烯、碳纤维、金属泡沫、金属粒子或金属纳米颗粒中的至少一种。

18、在一个实施方式中，所述均流板设置有四块，相邻两块所述均流板之间填充相对应相变温度的相变储热单元，所述均流板上设有筛孔，所述筛孔的孔径小于所述相变储热单元的直径。

19、在一个实施方式中，所述换热组件采用金属盘管进行换热，所述传热流体为水。

20、在一个实施方式中，在白天，水箱内的低温传热流体通过太阳能集热器吸收热量，经加热后的高温传热流体携带一部分热量直接传递换热模块，供用户使用，另一部热量通过相变储热单元进行储存；

21、在阴天或晚上，当太阳能集热器供给到用户的热量不足时，传热流体将相变储热单元中存储的热量通过换热模块传递给用户。

22、本申请提供的太阳能多温区热联供的填充床储热系统的有益效果在于：

23、1、采用太阳光热与相变填充床储热耦合的方式，完成对动态光热输入的转化与利用，实现热能的稳定输出，解决热能在时间上分布不均匀以及运行困难的问题，提高能源利用率。

24、2、储热罐内采用三层相变材料填充结构，利用斜温层的原理，通过控制阀门，实现了传热流体输出温度可控，可同时向温度需求不同的用户传递热量，最大化降低了储热系统成本。

25、3、通过采用高性能的复合相变材料，解决传统纯相变材料导热性能差的缺陷，提高系统储热密度；所采用的多层填充能够灵活满足不同用户的温度需求，更加优化了系统的造价。

技术特征：

1.一种太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于，包括：太阳能集热模块、填充床储热模块和换热模块；

2.如权利要求1所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述换热组件(6)并联设置有三个，分别为第一换热组件(6)、第二换热组件(6)和第三换热组件(6)，所述温区设置有三个，分别为高温区、中温区及低温区。

3.如权利要求2所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述太阳能集热模块包括：太阳能集热器(4)、水箱(7)和离心泵(8)，所述离心泵(8)通过第一管道分别与所述水箱(7)和所述太阳能集热器(4)连接；

4.如权利要求3所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述储热罐(5)的顶部设置第一传热流体出入口，所述储热罐(5)的中部对称设有第二传热流体出入口和第三传热流体出入口，所述储热罐(5)的底部设有第四传热流体出入口；

5.如权利要求4所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述高温区、中温区及低温区从上至下进行分布，所述第一传热流体出入口与所述高温区连通，所述第二传热流体及所述第三传热流体与所述中温区连通，所述第四传热流体出入口与所述低温区连通。

6.如权利要求5所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述相变储热单元(18)包括球体以及填充在所述球体内的复合相变材料，所述复合相变材料的相变温度为30-70℃。

7.如权利要求6所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述复合相变材料包括相变材料和高导热材料；高温区的相变材料为50-70℃的脂肪酸类、醇类或石蜡类中的至少一种，中温区的相变材料为40-50℃的脂肪酸类、醇类或石蜡类中的至少一种，低温区的相变材料为30-40℃无机水合盐类化合物中的至少一种；所述高导热材料为石墨、石墨烯、碳纤维、金属泡沫、金属粒子或金属纳米颗粒中的至少一种。

8.如权利要求1所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述均流板(9)设置有四块，相邻两块所述均流板(9)之间填充相对应相变温度的相变储热单元(18)，所述均流板(9)上设有筛孔，所述筛孔的孔径小于所述相变储热单元(18)的直径。

9.如权利要求8所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：所述换热组件(6)采用金属盘管进行换热，所述传热流体为水。

10.如权利要求8所述的太阳能多温区热联供的填充床储热系统，其特征在于：

技术总结本申请涉及相变储热技术领域，提供一种太阳能多温区热联供的填充床储热系统，包括：太阳能集热模块、填充床储热模块和换热模块；所述填充床储热模块包括储热罐，所述储热罐内上下间隔设置有多块均流板，所述均流板将所述储热罐内分层多个温区；各所述温区内填充有相对应相变温度的相变储热单元；所述太阳能集热模块分别与所述填充床储热模块和所述换热模块连接并通过传热流体进行换热；所述换热模块与用户端连接；所述换热模块并联设置多个换热组件，各所述温区与相对应的所述换热组件连接。将填充床储热技术应用于太阳能热利用系统中，实现动态太阳能热量输入下的多温区储热/供热，提高能源利用效率，减少碳排放。技术研发人员：李传常,马莉莎,谢宝珊受保护的技术使用者：长沙理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/18