一种储热模块、模块式固液储热系统及其工作方法与流程

本发明属于储能，具体涉及一种储热模块、模块式固液储热系统及其工作方法。

背景技术：

1、加快发展可再生能源、实施可再生能源替代行动，是推进能源革命和构建清洁低碳、安全高效能源体系的重大举措，可再生能源已经进入全新的发展阶段。分布式可再生能源的装机量迅猛增涨，然而电网消纳能力成为了越来越多地方分布式可再生能源发展的制约问题，已有多地发布了分布式可再生能源可接网容量预警。因此，“自发自用、余电上网”成为分布式可再生能源的一个重点发展原则。分布式新能源呈现明显的不稳定性和波动性，储能是抑制分布式新能源波动性的重要手段，如何实现新能源的储存和利用是本领域技术人员遇到的迫切问题之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种储热模块、模块式固液储热系统及其工作方法，本发明设计的储热模块的储能效率较高，本发明设计的模块式固液储热系统能够在新能源高峰期，将电能转化为热能存储于储热装置中，在新能源低谷期，将热能持续输出，因此本发明能够实现新能源电力的有效消纳。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种储热模块，包括模块壳体，所述模块壳体的上端和下端分别设有模块进口和模块出口，模块壳体的内腔填充有固体储热颗粒；从模块壳体的底部向上，固体储热颗粒的直径呈增大趋势。

4、优选的，从模块壳体内腔底部向上，固体储热颗粒的直径增长速率为1.5~3。

5、优选的，固体储热颗粒的直径范围为8mm至32mm。

6、优选的，固体储热颗粒在模块壳体内腔呈多层布置方式分布，其中，当模块壳体内腔的高度h≤2m时，固体储热颗粒分两层布置；当2＜h≤4m时，固体储热颗粒分三层布置；当h＞4m时，固体储热颗粒分四层布置；每层固体储热颗粒的厚度不超过1.5m，各层固体储热颗粒等厚度布置。

7、优选的，所述固体储热颗粒包括大直径固体储热颗粒、中直径固体储热颗粒和小直径固体储热颗粒，其中，大直径固体储热颗粒的直径为24-32mm，中直径固体储热颗粒的直径为16-24mm，小直径固体储热颗粒的直径为8-16mm；

8、当模块壳体内腔的高度h≤2m时，上层的固体储热颗粒采用大直径固体储热颗粒，下层的固体储热颗粒采用中直径固体储热颗粒；

9、当2＜h≤4m时，上层的固体储热颗粒采用大直径固体储热颗粒，中层的固体储热颗粒采用中直径固体储热颗粒，下层的固体储热颗粒采用小直径固体储热颗粒；

10、当h＞4m时，上层的固体储热颗粒采用大直径固体储热颗粒，下层的固体储热颗粒采用小直径固体储热颗粒，上层和下层的固体储热颗粒之间的各层采用中直径固体储热颗粒。

11、优选的，模块壳体内腔的上端设有上封板、下端设有下封板，固体储热颗粒填充在上封板和下封板之间，上封板和下封板上均设有供流体流过的通孔。

12、本发明还提供了一种模块式固液储热系统，包括储热装置，所述储热装置包括本发明如上所述的储热模块，模块壳体的模块出口连接有循环泵，循环泵的出口通过输送管道与模块进口连接，输送管道上依次设有释热装置和加热装置，输送管道上连接有与释热装置并联的释热旁路管道以及与加热装置并联的加热旁路管道，释热旁路管道上设有释热旁路阀，加热旁路管道上设有加热旁路阀，释热装置的入口设有释热进口阀、出口设有释热出口阀，加热装置的入口设有加热进口阀和加热出口阀。

13、本发明如上所述模块式固液储热系统的工作方法，包括如下过程：

14、储热过程：关闭释热进口阀、释热出口阀、加热旁路阀，打开加热进口阀、加热出口阀、释热旁路阀，启动循环泵和加热装置；液体储热介质由储热模块的模块出口流经循环泵进入加热装置，液体储热介质经加热装置加热后经模块进口回至储热模块，流入储热模块的液体储热介质将热量传递给固体储热颗粒；在储热过程中，通过调节循环泵的转速控制液体储热介质的流量，从而控制加热装置的出口液体储热介质温度达到设定值；当循环泵进口介质温度达到第一设定值时，关闭加热进口阀、加热出口阀、释热旁路阀，停运循环泵和加热装置，储热过程完成；

15、释热过程：打开释热进口阀、释热出口阀、加热旁路阀，关闭加热进口阀、加热出口阀、释热旁路阀，启动循环泵和释热装置；液体储热介质由储热模块的模块出口流经循环泵进入释热装置，液体储热介质经释热装置冷却后经模块进口回至储热模块，流入储热模块的液体储热介质从固体储热颗粒吸取热量；在释热过程中，通过调节循环泵的转速控制液体储热介质的流量，从而控制释热装置的出口液体储热介质温度达到设定值；当循环泵进口介质温度达到第二设定值时，关闭释热进口阀、释热出口阀、加热旁路阀，停运循环泵和释热装置，释热过程完成。

16、优选的，所述储热装置包括两个以上并列布置的储热模块，循环泵的出口通过输送管道与每个模块进口的模块进口均连接，所有储热模块的模块进口均设有模块进口阀；循环泵的入口与每个模块进口的模块出口均连接，每个模块进口的模块出口均设有模块出口阀。

17、本发明如上所述模块式固液储热系统的工作方法，包括如下过程：

18、储热过程：关闭释热进口阀、释热出口阀、加热旁路阀，打开加热进口阀、加热出口阀、释热旁路阀，启动循环泵和加热装置；打开储热装置的第一个储热模块的模块进口阀和模块出口阀，关闭其他储热模块的模块进口阀和模块出口阀；液体储热介质由第一个储热模块流经循环泵进入加热装置，液体储热介质经加热装置加热后回至第一个储热模块，流入第一个储热模块的液体储热介质将热量传递给固体储热颗粒；在此过程中，通过调节循环泵的转速控制液体储热介质的流量，从而控制加热装置的出口液体储热介质温度达到设定值；当循环泵进口介质温度达到第一设定值时，打开储热装置的第二个储热模块的模块进口阀和模块出口阀；当第二个储热模块的出口介质温度达到第三设定值时，关闭第二个储热模块的模块进口阀和模块出口阀；依此循环，直至储热装置的所有储热模块完成储热，之后关闭加热进口阀、加热出口阀、释热旁路阀，停运循环泵和加热装置，储热过程完成；

19、释热过程：打开释热进口阀、释热出口阀、加热旁路阀，关闭加热进口阀、加热出口阀、释热旁路阀，启动循环泵和释热装置；打开储热装置的第一个储热模块的模块进口阀和模块出口阀，关闭其他储热模块的模块进口阀和模块出口阀；液体储热介质由第一个储热模块流经循环泵进入释热装置，液体储热介质经释热装置冷却后回至第一个储热模块，并从固体储热颗粒吸取热量；在此过程中，通过调节循环泵的转速控制液体储热介质的流量，从而控制释热装置的出口液体储热介质温度达到设定值；当循环泵进口介质温度达到第二设定值时，打开储热装置的第二个储热模块的模块进口阀和模块出口阀；当第二个储热模块的出口介质温度达到第四设定值时，关闭二个储热模块的模块进口阀和模块出口阀；依此循环，直至储热装置的所有储热模块完成释热，之后关闭释热进口阀、释热出口阀、加热旁路阀，停运循环泵和释热装置，释热过程完成。

20、本发明具有以下有益效果：

21、本发明储热模块中，从模块壳体的底部向上，固体储热颗粒的直径呈增大趋势，因此，上部的固体储热颗粒整体的比表面积（也即换热面积）相对较小，颗粒之间的间隙较大，液体储热介质流动阻力相对较小；越往下固体储热颗粒整体的比表面积（也即换热面积）呈增大趋势、颗粒之间的间隙较小，液体储热介质流动阻力相对较大。在使用该储热模块时，从上部的模块进口通入被加热的液体储热介质，在液体储热介质刚进入储热模块时温度较高，越往下流动温度越低，而上部的固体储热颗粒整体的比表面积（也即换热面积）相对较小、颗粒之间的间隙较大、液体储热介质流动阻力相对较小，因此能够控制上部的固体储热颗粒不会吸收过多的热量，使得液体储热介质温度下降过快，同时还能快速向下流动，能够防止上部的固体储热颗粒温度过高；而越往下固体储热颗粒整体的比表面积（也即换热面积）越来越大、颗粒之间的间隙较大、液体储热介质流动阻力相对较大，因此，固体储热颗粒的吸热能力越来越强、同时液体储热介质流速先对较低，有利于相对较低温度的液体储热介质与固体储热颗粒之间进行充分换热。因此本发明中能够充分保证储热模块不同高度上的固体储热颗粒能够充分吸收液体储热介质中的热量，从而使得本发明储热模块的储能效率较高，同时，储热模块中液体储热介质的流速是由快到慢，整体而言，相对与全部直接采用直径较小的固体储热颗粒的情形，本发明储热模块的储热速度还会更快一些。

22、本发明模块式固液储热系统中，利用循环泵能够将储热模块中的液体储热介质抽出，通过释热装置能够使储热模块中液体储热介的中的热量释放出来，通过加热装置能够将储热模块中已释放热量后的低温液体储热介进行加热，在循环泵出口连接的输送管道上连接释热旁路管道以及加热旁路管道，这样能够使得液体储热介质在循环泵的出口方向上，经过阀门和管路的切管，实现储热和释热过程，在此过程中，仅通过一个循环泵连旋转方向都不用改变的情况下即可完成，因此减少了泵的使用量，进而降低了设备投入。在新能源高峰期，将电能转化为热能存储于储热装置中，在新能源低谷期，将热能持续输出，从而实现新能源电力的有效消纳。