CN115371476B - 一种超高温相变储热系统及稳定放热方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及储热技术领域，涉及一种超高温相变储热系统及稳定放热方法，其中，超高温相变储热系统包括：包括：电加热装置、储热装置，在储热装置内填充多层杯形相变储热胶囊；电加热装置在杯身的底部和杯盖顶部；相邻杯形相变储热胶囊层之间通过杯身的底面和杯盖的顶面互相接触，形成接触平面，电加热装置铺设在接触平面上，相邻的杯形相变储热胶囊在径向方向存在间隙。通过电加热相变储热胶囊至超高温状态，使电能转化为高相变潜热和大温变显热，实现高储热密度和低成本；通过杯形相变胶囊紧密排布，获得良好的电加热面和换热流体通道；通过分流放热的方式，使该储热系统输出温度稳定且可调，并且实现输出温度和输出热功率的解耦控制。
Description
技术领域
本公开涉及储热技术领域，具体涉及一种超高温相变储热系统及稳定放热方法。
背景技术
储能技术可有效解决能源系统供给侧与需求侧的时间不匹配问题，有助于建立高效、低碳的能源结构，契合“2060碳中和”总体目标，具有广泛且深远的社会和经济效益。随着近年来光伏、风电等新能源电站的快速涌现，大量的间歇、不稳定清洁电能难以被用户侧利用。对于居民和工业等用户侧用能形式，90%以上的一次能源以热能形式被消耗，因此储热具有很大的市场需求空间。发展高效、低成本、模块化且可靠的储热技术，有望解决目前光伏、风电等新能源的消纳困局。
按照储热原理，储热分为显热、相变和热化学储热。其中，显热和相变储热均是基于热物理过程（温变的热容和相变的潜热）实现，技术门槛相对较低，是目前应用研究的热点。对于填充床存储的显热较多时（储热循环温度变化较大），由于热量的吸/放热是通过储存介质温度的升/降实现的，这会导致相应的输出温度升高或降低，系统不能实现稳定温度的热输出，从而无法形成高效的吸/放热储热循环。由于这个问题是显热储热本身特质导致的，因而学者们普遍将其认为是显热储热的缺点，并没有提出有效的改进方法。苏黎世联邦理工学院的Steinfeld团队尝试在出口端添置相变储热或热化学储热模块，对输出温度进行稳定化改善。但是相变储热的改善效果有限，且输出温度的调节受限制（其仅能稳定在相变材料熔点附近）；而热化学储热本身技术复杂，目前仍处于实验室研发阶段，距离工程应用较远。
可见，目前没有一种可以有效存储光伏、风电、谷电的系统或装置，来有效的对上述清洁能源进行存储。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种超高温相变储热系统及稳定放热方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的光伏、风电、谷电等消纳的情况。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的第一方面，提供了一种超高温相变储热系统，包括：
电加热装置、储热装置，在所述储热装置内填充多层杯形相变储热胶囊；
所述杯形相变储热胶囊包括：杯身；杯盖，扣接在所述杯身的顶部开口端，在所述杯身与所述杯盖之间填充有密封材料；相变储热材料，位于所述杯身内，用于存储热能；所述电加热装置在所述杯身的底部和杯盖顶部，对所述杯身内的相变储热材料进行加热；
相邻杯形相变储热胶囊层之间通过所述杯身的底面和所述杯盖的顶面互相接触，形成接触平面，所述电加热装置铺设在所述接触平面上，用于为杯形相变储热胶囊进行加热，相邻的杯形相变储热胶囊在径向方向存在间隙，所述间隙为放热时换热流体提供流动与换热通道；
放热控制装置，包括分流器和混合结构；
所述分流器的入口端为总流股，分流器的第一出口端通过管道与所述储热装置连通；分流器的第二出口与所述混合结构连通，所述储热装置的出口通过管道与所述混合结构连通；所述混合结构的出口为总流股。
可选的，所述杯盖的外径大于所述杯身的外径，每层相邻的所述杯形相变储热胶囊的杯盖并列贴合排布，相邻的两个所述杯形相变储热胶囊的杯身之间存在所述间隙。
可选的，所述电加热装置为电加热垫，所述电加热垫铺设在所述杯形相变储热胶囊每层之间的接触平面上。
可选的，杯形相变储热胶囊采用填充床形式布置。
可选的，所述分流器的内部配置有可旋转的折流板，可通过转动所述折流板，以改变所述第一出口的流股流量以及所述第二出口的流股流量，以改变进入所述储热装置的流体流量，进而调节所述混合器的出口输出的流体的温度。
根据本公开的第二方面，提供一种超高温相变储热系统的稳定放热方法，包括：
采用分流放热的方式；
通过分流器将总流股分为两个流股，一股进入储热装置进行加热，另一股不加热并直接与加热后的流股在混合结构充分混合，获得所需放热温度。
通过调节所述分流器的折流板的角度，改变进入储热装置的换热流体流量比例，控制经过混合结构混合后的换热流体温度，进而向所述用热端供热。
可选的，以经过所述混合结构混合后的流体温度作为目标函数，基于PID算法，计算所述折流板的所需角度，调节进入所述储热装置的流量，使目标函数达到用热端的用热温度。
本公开的一种超高温相变储热系统及稳定放热方法，其中，超高温相变储热系统包括：包括：电加热装置、储热装置，在所述储热装置内填充多层杯形相变储热胶囊；所述杯形相变储热胶囊包括：杯身；杯盖，扣接在所述杯身的顶部开口端，在所述杯身与所述杯盖之间填充有密封材料；相变储热材料，位于所述杯身内，用于存储热能；所述电加热装置在所述杯身的底部和杯盖顶部，对所述杯身内的相变储热材料进行加热；相邻杯形相变储热胶囊层之间通过所述杯身的底面和所述杯盖的顶面互相接触，形成接触平面，所述电加热装置铺设在所述接触平面上，用于为杯形相变储热胶囊进行加热，相邻的杯形相变储热胶囊在径向方向存在间隙，所述间隙为放热时换热流体提供流动与换热通道；放热控制装置，包括分流器和混合结构；所述分流器的入口端为总流股，分流器的第一出口端通过管道与所述储热装置连通；分流器的第二出口与所述混合结构连通，所述储热装置的出口通过管道与所述混合结构连通；所述混合结构的出口为总流股。通过电加热相变储热胶囊至超高温状态，使电能转化为高相变潜热和大温变显热，实现高储热密度和低成本；通过杯形相变胶囊紧密排布，获得良好的电加热面和换热流体通道；通过分流放热的方式，使该储热系统输出温度稳定且可调，并且实现输出温度和输出热功率的解耦控制，可见，本发明可以解决光伏、风电、谷电等大规模消纳的问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本示例实施方式中提供的一种超高温相变储热系统的示意图。
图2为本示例实施方式中提供的可调节分流器的结构示意图。
图3为(a)一般放热过程与(b)本发明提出的稳定放热方法对比。
图4为本示例实施方式中提供的杯形相变胶囊填充效果图。
图5为本示例实施方式中提供的杯形相变胶囊的结构示意图。
图中，1.总流股；2.分流器；3.进入储热装置的流股；4.不进入储热装置的流股；5.混合结构；6.折流板；7.间隙；8.电加热垫；9.相变储热材料；10.储热装置；11、杯盖；12、杯身；13、密封材料。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和 / 或处理器装置和 / 或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和 / 或处理器装置和 / 或微控制器装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作 / 步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作 / 步骤还可以分解，而有的操作 / 步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本发明要解决光伏、风电、谷电等消纳问题，提出一种超高温相变储热系统及稳定放热方法，通过电加热、杯形相变胶囊和放热控制三方面实现由高相变潜热和大温变显热组成的超高储热密度，并有效降低储热成本。
首先根据本公开的第一方面，提供了一种超高温相变储热系统，包括：电加热装置、储热装置，在所述储热装置内填充多层杯形相变储热胶囊；所述杯形相变储热胶囊包括：杯身；杯盖，扣接在所述杯身的顶部开口端，在所述杯身与所述杯盖之间填充有密封材料；相变储热材料，位于所述杯身内，用于存储热能；所述电加热装置在所述杯身的底部和杯盖顶部，对所述杯身内的相变储热材料进行加热；相邻杯形相变储热胶囊层之间通过所述杯身的底面和所述杯盖的顶面互相接触，形成接触平面，所述电加热装置铺设在所述接触平面上，用于为杯形相变储热胶囊进行加热，相邻的杯形相变储热胶囊在径向方向存在间隙，所述间隙为放热时换热流体提供流动与换热通道；放热控制装置，包括分流器和混合结构；所述分流器的入口端为总流股，分流器的第一出口端通过管道与所述储热装置连通；分流器的第二出口与所述混合结构连通，所述储热装置的出口通过管道与所述混合结构连通；所述混合结构的出口为总流股。
本示例实施方式中，本申请提供了一种超高温相变储热系统及稳定放热方法，通过风电、光伏、谷电等低价电加热高温相变胶囊至1000℃以上，相变胶囊采用填充床形式进行布置，相变胶囊采用一种杯状设计，杯盖相距杯体的凸出距离作为放热时换热流体通过的间隙7，杯底部和顶部为平面，方便电热垫进行高效的面加热。换热流体采惰性气体如氩气，增加高温材料的循环稳定性和寿命。采用支架使相变胶囊填充床不与储热装置10隔热层直接接触，以减小储热损失。
与现有大规模储能技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
通过电储热可使储热床层均匀加热至1000℃以上的超高温，结合相变材料自身的相变潜热，可实现超高储热密度和低成本；通过杯形相变胶囊，可利用电加热垫(8)加热杯盖和杯底平面，实现快速的面加热效果，杯形胶囊紧密排布填充后，杯盖与杯身形成换热流体的通道，确保填充床结构均匀统一，方便放热设计优化；通过稳定放热方法，实现使输出温度稳定且可调，并实现输出温度与输出热功率的解耦控制。
本示例实施方式中，本公开的一种超高温相变储热系统及稳定放热方法，其中，超高温相变储热系统包括：包括：电加热装置、储热装置，在所述储热装置内填充多层杯形相变储热胶囊；所述杯形相变储热胶囊包括：杯身；杯盖，扣接在所述杯身的顶部开口端，在所述杯身与所述杯盖之间填充有密封材料；相变储热材料，位于所述杯身内，用于存储热能；所述电加热装置在所述杯身的底部和杯盖顶部，对所述杯身内的相变储热材料进行加热；相邻杯形相变储热胶囊层之间通过所述杯身的底面和所述杯盖的顶面互相接触，形成接触平面，所述电加热装置铺设在所述接触平面上，用于为杯形相变储热胶囊进行加热，相邻的杯形相变储热胶囊在径向方向存在间隙，所述间隙为放热时换热流体提供流动与换热通道；放热控制装置，包括分流器和混合结构；所述分流器的入口端为总流股，分流器的第一出口端通过管道与所述储热装置连通；分流器的第二出口与所述混合结构连通，所述储热装置的出口通过管道与所述混合结构连通；所述混合结构的出口为总流股。通过电加热相变储热胶囊至超高温状态，使电能转化为高相变潜热和大温变显热，实现高储热密度和低成本；通过杯形相变胶囊紧密排布，获得良好的电加热面和换热流体通道；通过分流放热的方式，使该储热系统输出温度稳定且可调，并且实现输出温度和输出热功率的解耦控制，可见，本发明可以解决光伏、风电、谷电等大规模消纳的问题。
在一种具体实施方式中，所述杯盖的外径大于所述杯身的外径，每层相邻的所述杯形相变储热胶囊的杯盖并列贴合排布，相邻的两个所述杯形相变储热胶囊的杯身之间存在所述间隙。
在一种具体实施方式中，所述电加热装置为电加热垫，所述电加热垫铺设在所述杯形相变储热胶囊每层之间的接触平面上。
在一种具体实施方式中，所述分流器的内部配置有可旋转的折流板，可通过转动所述折流板，以改变所述第一出口的流股流量以及所述第二出口的流股流量，以改变进入所述储热装置的流体流量，进而调节所述混合器的出口输出的流体的温度。
通过上述设置，可以实现稳定放热，具体的，稳定放热方法为：通过将换热流体分为两流股，一股进入储热装置10被加热或被冷却，然后与另一股充分混合后输出。通过调节进入储热装置10的流量，实现两股冷热流体的合理配比，从而使最终输出温度稳定在所设定的温度附近。调节过程中换热流体总流量恒定，确保了恒热功率下的输出温度稳定。并且，在调节流量时，输出温度是不变的，从而使储热装置10放热过程的功率控制和输出温度控制解耦。
结合附图1-图5所示，本申请提供了一种超高温相变储热系统，包括电加热、杯形相变储热胶囊和放热控制。所述杯形相变储热胶囊采用填充床形式布置，杯底部和顶部平面铺设电加热垫8进行面加热；杯盖与杯身之间凸出间隙7作为放热时换热流体通道；放热时，将换热流体分为两流股和一流股体进入储热装置10进行热量交换，然后与另一流股体充分混合输出。杯形相变胶囊由杯盖、杯身、密封材料以及相变储热材料9组成。两流股体通过可调节分流器2进行分流，其内置的可旋转折流板6能调节流股3和流股4的流量分配。进一步的，以可旋转折流板6作为执行器，通过调整折流板6的旋转角度，可以改变流股3和流股4的流量分配；经过混合结构5混合后，以混合后的流股为用热端供热，可见，本申请可以以折流板6的旋转角度作为控制量，以混合结构5的输出温度作为被控量，进而实现输出温度的稳定化及有效调节。
根据本公开的第二方面，提供一种超高温相变储热系统的稳定放热方法，包括：步骤S110-步骤S130。
步骤S110.采用分流放热的方式；
步骤S120.通过分流器将总流股分为两个流股，一股进入储热装置进行加热，另一股不加热并直接与加热后的流股在混合结构充分混合，获得所需放热温度。
步骤S130.通过调节所述分流器的折流板的角度，改变进入储热装置的换热流体流量比例，控制经过混合结构混合后的换热流体温度，进而向所述用热端供热。
在一种具体实施方式中，步骤基于所述用热温度、所述储热装置10的当前温度以及流体的流量，配置对应的流体分配参数包括：以经过所述混合结构混合后的流体温度作为目标函数，基于PID算法，计算所述折流板的所需角度，调节进入所述储热装置的流量，使目标函数达到用热端的用热温度。
本发明一种超高温相变储热系统及稳定放热方法，充热时，通过风电、光伏、谷电等低价电加热高温相变胶囊至1000℃以上，相变胶囊采用填充床形式紧密布置于储热装置10内，相变胶囊采用一种杯状设计，杯盖相距杯体的凸出距离作为放热时换热流体通过的间隙7，杯底部和顶部为平面，采用电加热垫8进行高效的面加热，杯内装有相变储热材料9。
放热时，参阅图1，换热流体总流股1通过可调节分流器2被分为两流股，流股3进入储热装置10被加热或被冷却，然后与流股4于混合结构5中充分混合，然后输出。
具体地，可调节分流器2可参阅图2，可以通过可旋转的折流板6，调节流股3和流股4的截面积，从而实现总流量恒定的情况下，两流股体的流量调节。
进一步，以折流板6作为控制执行器，调节其旋转角度，以从混合结构5充分混合后流体温度作为被控量，通过PID算法可以有效控制输出的温度稳定在设定值附近。
这里以一个高温填充床层的显热放热过程为例，基于数值模拟演示该方法对输出温度稳定化的效果，请参阅图3。此案例中，床层的初始温度为1000℃，换热流体入口温度为60℃，图3b中分别显示了设定值为100和200 ℃时，输出温度的动态曲线。可以看出，本发明所提出的稳定放热方法，可以有效地使填充床层储热装置10的输出温度稳定在设定值附近，且设定值灵活可调。
换热流体采惰性气体如氩气，增加高温材料的循环稳定性和寿命。采用支架使相变胶囊填充床不与储热装置10隔热层直接接触，以减小储热损失。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。
Claims (7)
1.一种超高温相变储热系统，其特征在于，包括：
电加热装置、储热装置(10)，在所述储热装置(10)内填充多层杯形相变储热胶囊；
所述杯形相变储热胶囊包括：杯身；杯盖，扣接在所述杯身的顶部开口端，在所述杯身与所述杯盖之间填充有密封材料；相变储热材料(9)，位于所述杯身内，用于存储热能；所述电加热装置在所述杯身的底部平面和杯盖顶部平面，对所述杯身内的相变储热材料(9)进行加热；
相邻杯形相变储热胶囊层之间通过所述杯身的底部平面和所述杯盖顶部平面互相接触，形成接触平面，所述电加热装置铺设在所述接触平面上，用于为杯形相变储热胶囊进行加热，相邻的杯形相变储热胶囊在径向方向存在间隙(7)，所述间隙(7)为放热时换热流体提供流动与换热通道；
放热控制装置，包括分流器(2)和混合结构(5)；
所述分流器(2)的入口端为总流股，分流器(2)的第一出口端通过管道与所述储热装置(10)连通；分流器(2)的第二出口与所述混合结构(5)连通，所述储热装置(10)的出口通过管道与所述混合结构(5)连通；所述混合结构(5)的出口为总流股。
2.根据权利要求1所述的超高温相变储热系统，其特征在于，所述杯盖的外径大于所述杯身的外径，每层相邻的所述杯形相变储热胶囊的杯盖并列贴合排布，相邻的两个所述杯形相变储热胶囊的杯身之间存在所述间隙(7)。
3.根据权利要求1所述的超高温相变储热系统，其特征在于，所述电加热装置为电加热垫(8)，所述电加热垫(8)铺设在所述杯形相变储热胶囊每层之间的接触平面上。
4.根据权利要求1所述的超高温相变储热系统，其特征在于，杯形相变储热胶囊采用填充床形式布置。
5.根据权利要求1所述的超高温相变储热系统，其特征在于，所述分流器(2)的内部配置有可旋转的折流板(6)，可通过转动所述折流板(6)，以改变所述第一出口的流股流量以及所述第二出口的流股流量，以改变进入所述储热装置(10)的流体流量，进而调节所述混合结构的出口输出的流体的温度。
6.一种根据权利要求5所述的超高温相变储热系统的稳定放热方法，其特征在于，包括：
采用分流放热的方式；
通过所述分流器(2)将总流股分为两个流股，一股进入所述储热装置(10)进行加热，另一股不加热并直接与加热后的流股在混合结构充分混合，获得所需放热温度；
通过调节所述分流器(2)的所述折流板(6)的角度，改变进入所述储热装置(10)的换热流体流量比例，控制经过所述混合结构(5)混合后的换热流体温度，进而向用热端供热。
7.根据权利要求6所述的稳定放热方法，其特征在于，包括：
以经过所述混合结构(5)混合后的流体温度作为目标函数，基于PID算法，计算所述折流板(6)的所需角度，调节进入所述储热装置(10)的流量，使目标函数达到用热端的用热温度。
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