專利名稱：一種太陽能熱儲存裝置及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用太陽能的技術領域，具體地說是一種太陽能熱儲存裝置及其制造方法。
背景技術：
能量儲存是很多綠色能源(太陽能、風能)開發(fā)的一個重大課題。其中的一個重 要途徑是熱能的儲存，特別是將太陽能轉化成熱能后輸入儲熱設施保存下來。在這里儲熱 設備的關鍵指標是每個單位熱量儲存能力的成本。 目前用途最廣的是工作溫度在20(TC到40(TC的儲熱設備，在這個溫度區(qū)間內(nèi)，很 多廉價的固體儲熱介質(zhì)材料如巖石、磚和水泥等可以提供理論成本極低的儲熱裝置。然而 在實際應用中，一般需要使用導熱油作為導熱介質(zhì)實現(xiàn)與儲熱材料之間的熱交換?，F(xiàn)有熱 交換方式的設計嚴重增加了儲熱設備的成本。 —個方案是采用水泥作固體儲熱介質(zhì)，并在水泥中埋設密封金屬管道作為導熱油 通道。水泥和管道緊密接觸以實現(xiàn)水泥和導熱油之間的熱交換。由于水泥導熱性能的制約， 管道在水泥中必須達到相當高的密度，這使得在現(xiàn)有實際產(chǎn)品中管道及導熱油的成本遠遠 超過儲熱介質(zhì)水泥的成本，同時成本的制約嚴重影響熱交換的效率，使得儲熱設備不能充 分利用介質(zhì)的熱存儲潛力，從而進一步抬高成本。 現(xiàn)有的另一個方案是不使用金屬管道，讓巖石或普通磚塊的固體儲熱介質(zhì)直接浸
潤于導熱油中，使導熱油在固體介質(zhì)的縫隙間流通實現(xiàn)熱交換。這個辦法容易得到有效的
熱交換，也可以省去金屬導管的成本，但由于固體介質(zhì)中大量的孔隙，浸潤孔隙需要消耗大
量的導熱油，一般按體積計算導熱油的消耗不小于儲熱設備的15%。這同樣使導熱油消耗
成為儲熱設備的主要成本，而且石料中的雜質(zhì)與導熱油大面積接觸后會污染導熱油并引起
系統(tǒng)管道和熱交換表面結垢失效，使系統(tǒng)和導熱油使用壽命嚴重下降，增加成本。 對于工作溫度在40(TC以上的太陽能儲熱設備，一般采用熔化硝酸鹽作導熱液。因
為熔化硝酸鹽的成本較低，可以直接用導熱液作儲熱介質(zhì)，即用大型液罐作儲熱器。但這樣
作的成本仍明顯高于固體儲熱介質(zhì)，而且大量高溫熔化硝酸鹽的集中儲存所導致的安全威
脅也是不可忽視的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種太陽能熱儲存裝置及其制造方法，它可將直接浸潤于流 動的高溫導熱液體中的磚塊作為熱儲存裝置中的固體儲熱介質(zhì)，且不加金屬管道進行隔 離，從而達到改善導熱液浸潤磚體內(nèi)孔隙導致的液體消耗和結垢。 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是一種太陽能熱儲存裝置，其特征為所 述的熱儲存裝置有一密封的金屬殼體，該金屬殼體上開設兩個導熱液出口，其中一個為冷 端出口，另一個為熱端出口 ；在金屬殼體內(nèi)設有固體儲熱介質(zhì)，該固體儲熱介質(zhì)由多塊固體 儲熱磚塊構成，儲熱磚塊的材質(zhì)為玻璃或玻璃與砂石的混合物；儲熱磚塊的內(nèi)部或表面設有至少2道供導熱液流通的孔道、凹槽或缺口，儲熱磚塊的孔道、凹槽或缺口使得儲熱磚塊 內(nèi)部或相鄰的儲熱磚塊之間形成供導熱液流通的連通通道。 —種太陽能熱儲存裝置的制造方法，其特征為所述熱儲存裝置的制造方法包括 以下步驟A、采用鍍鋁或鍍鋅鋼板進行焊接制作成金屬殼體；B、在金屬殼體內(nèi)以不加粘結 的方式緊密充填儲熱磚塊，并使相鄰的儲熱磚塊之間形成供導熱液流通的連通通道；C、在 金屬殼體的上、下方各引出一根金屬管道作為導熱液出口，金屬殼體上方的管道為熱端， 下方的管道為冷端；D、在金屬殼體內(nèi)部靠近冷熱兩端出口處各留5-15升的空間，采用用 5-20mm直徑的玻璃珠或玻璃磚填充；E、將金屬殼體進行密封；F、最后將密封的金屬殼體的 外部用玻璃纖維棉包裹隔熱，形成熱儲存裝置。 本發(fā)明提出的解決途徑是采用直接浸潤于流動的高溫導熱液體(導熱油或熔化 硝酸鹽等)中的磚塊作為固體儲熱介質(zhì)，不加金屬管道隔離。這些磚塊的特征是它們的表 面為玻璃質(zhì)材料，玻璃材質(zhì)極少孔隙且可有效阻隔導熱液的滲透，因此大大改善了導熱液 浸潤磚體內(nèi)孔隙導致的液體消耗，也不會產(chǎn)生污染導熱液引起結垢的問題。


圖1是本發(fā)明中一儲熱裝置示意圖。
圖2是圖1中的儲熱磚塊示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。 附圖中的標記1為主體儲熱磚，2為用作導熱液通道的凹槽，3為靠近冷熱兩端出 口處的玻璃珠或小型磚塊，4為密封金屬外殼，5為隔熱層，6為冷端出口管道，7為熱端出口管道。 本發(fā)明為一種太陽能熱儲存裝置，其特征為所述的熱儲存裝置有一密封的金屬 殼體，該金屬殼體上開設兩個導熱液出口，其中一個為冷端出口，另一個為熱端出口 ；在金 屬殼體內(nèi)設有固體儲熱介質(zhì)，該固體儲熱介質(zhì)由多塊固體儲熱磚塊構成，儲熱磚塊的材質(zhì) 為玻璃或玻璃與砂石的混合物；儲熱磚塊的內(nèi)部或表面設有至少2道供導熱液流通的孔 道、凹槽或缺口 ，儲熱磚塊的孔道、凹槽或缺口使得儲熱磚塊內(nèi)部或相鄰的儲熱磚塊之間形 成供導熱液流通的連通通道。實施時導熱液為現(xiàn)有技術的導熱油或熔化的硝酸鹽；在金屬 殼體內(nèi)靠近冷端出口和熱端出口處設有玻璃珠或玻璃塊；在金屬殼體外部包裹隔熱材料； 固體儲熱介質(zhì)至少占據(jù)金屬殼體內(nèi)部空間體積的90% ;玻璃與砂石的混合物組成儲熱磚塊 中的玻璃含量大于30%，砂石為花崗巖。較佳的儲熱磚塊為如圖2所示的長方體，厚度為 4cm，高和寬各為20cm。每邊各設4條導熱液槽，每條槽的深度和寬度均為3. 5mm。儲熱裝 置為長寬高各為0. 6米的正方體，密封外殼用0. 5mm厚的鍍鋁鍍鋅鋼板焊成，內(nèi)部用上述儲 熱磚以不加粘結的方式緊密填充。裝置的上下方各引出一根24mm直徑的金屬管道作為導 熱油出口，下方為冷端，上方為熱端。密封外殼外部用25cm厚的玻璃纖維棉包裹隔熱。儲 熱裝置內(nèi)部在靠近冷熱兩端出口處各留IO升的空間不填儲熱磚，而用10mm直徑的玻璃珠 填充。 據(jù)實測，這樣生產(chǎn)的儲熱磚能有效地耐受磚體內(nèi)部不超過4(TC的溫度梯度。當該溫度梯度超過6(TC時，儲熱磚局部出現(xiàn)少量裂縫，但不解體，也不影響儲熱性能。另一方面， 10mm直徑的玻璃珠可以耐受的溫度梯度超過80°C 。 本發(fā)明中的儲熱裝置用金屬殼體密封，阻止裝置中的導熱液外泄，如圖l所示。金 屬殼體外部復蓋隔熱材料隔熱。因此本發(fā)明主要適用于導熱液不加壓或僅加低壓(低于三 個大氣壓)的系統(tǒng)，否則金屬殼體需要制成耐高壓容器，大大增加成本。根據(jù)市售各類導熱 油的特性，不加壓的導熱油工作溫度通常需限制在35(TC以下(低壓導熱油工作溫度不超 過385t:)。這一工作溫度用于中小型太陽能熱電聯(lián)發(fā)系統(tǒng)足以滿足要求，但對大型太陽能 發(fā)電系統(tǒng)而言略嫌不足。在此溫度以上，需要采用高溫低壓液體如熔化硝酸鹽作導熱液。 磚塊表面可刻以若干凹槽如圖2所示，若干凹槽的較佳選擇為3-8條凹槽，所述的多塊固體 儲熱磚塊可采用數(shù)塊至數(shù)百塊，較佳選擇為15-180塊，當磚塊碼成儲熱裝置后，這些凹槽 形成導熱液通道。磚塊內(nèi)部也可設置若干孔道作為導熱液通道。凹槽或孔道的設計以導熱 液在儲熱裝置中的容量不超過10%為參考標準。減少導熱液的用量不僅有助于降低成本， 同時也提高了儲熱裝置的安全性能，因為減少了一旦外殼破裂時的導熱液泄漏量。優(yōu)化的 凹槽設計可以使導熱液的用量降到總容量的4%以下。儲熱磚的一個簡單可靠的具體制作 辦法是完全用玻璃制作上述儲熱磚，特別是通過熔化回收的廢舊玻璃。其中破碎的雜色玻 璃，不回收作為垃圾處理則污染環(huán)境，回收又很難找到合適的其它利用途徑，因此可以極低 的成本用來制作儲熱磚。儲熱對玻璃材料的成分和顏色均沒有特殊的要求，甚至對材料中 所含的瓶蓋等雜質(zhì)也有很高的容忍度，因此回收玻璃作此用途十分合適。
玻璃與巖石、水泥等具有基本相同的熱容量，所以單位體積的玻璃儲熱裝置在工 作溫度相同的條件下與水泥巖石類的儲熱裝置的儲熱能力相同。在室溫條件下，巖石類材 料往往比玻璃具有更好的熱傳導能力。但巖石類材料的導熱系數(shù)隨溫度的升高而下降，而 玻璃的導熱系數(shù)隨溫度的上升而上升。當工作溫度在20(TC以上時玻璃質(zhì)的儲熱材料可以 達到與水泥巖石類材料相當或更高的導熱能力。 因為玻璃和水泥具有相當接近的熱力學特性，玻璃儲熱器中的導熱液通道密度可 參照水泥儲熱器的方法計算。一般而言，相鄰導熱液通道之間的最大距離不應當超過10cm， 最佳距離為3cm左右。該距離越小則儲熱器的性能越好，對導熱液溫度快速變化的耐受能 力也越強，但會增加導熱液用量。 在太陽能的大規(guī)模利用造成回收玻璃供不應求時，為了減少回收玻璃的用量，儲 熱磚也可用熔化的回收玻璃混以一定比例的砂石澆制。選用的砂石以密度高孔隙少且熱脹 冷縮系數(shù)與玻璃一致的花崗巖等石料為佳，在儲熱磚中的含量比例一般不宜超過70%，儲 熱裝置的導熱液通道設兩個端點出口，一個冷端和一個熱端。導熱液由液泵控制流向和流 量，儲存熱量時，從太陽能采集器來的導熱液從熱端流向冷端。熱量回放時，導熱液從冷端 流向熱端再流往用熱設備。 玻璃質(zhì)儲熱設備的缺點是對溫度快速變化的耐受能力較差，溫度變化快了會破 裂。 一般來說，玻璃磚內(nèi)部的溫差梯度應限制在3(TC _40°〇之內(nèi)。作為解決的辦法，一方面 導熱液的溫度控制可以通過對液路流量的電子控制來實現(xiàn)；另一方面，儲熱裝置中溫差最 大的區(qū)域是靠近冷熱兩端的部分。因此用耐熱沖擊性能更好的小直徑玻璃珠或直徑不超過 2厘米的小型玻璃棒填充儲熱裝置的冷熱兩端附近區(qū)域，如圖2所示，可使儲熱裝置對同一 端點導熱液短時溫度變化的耐受能力提高到10(TC以上，足以滿足一般應用的需要。值得指出的是， 一定數(shù)量的儲熱磚裂縫不會影響儲熱設備的性能。 —種太陽能熱儲存裝置的制造方法，其特征為所述熱儲存裝置的制造方法包括 以下步驟A、采用鍍鋁或鍍鋅鋼板進行焊接制作成金屬殼體；B、在金屬殼體內(nèi)以不加粘 結的方式緊密充填儲熱磚塊，并使相鄰的儲熱磚塊之間形成供導熱液油流通的連通通道； C、在金屬殼體的上、下方各引出一根金屬管道作為導熱液出口，金屬殼體上方的管道為熱 端，下方的管道為冷端；D、在金屬殼體內(nèi)部靠近冷熱兩端出口處各留5-15升的空間，采用 5-20mm直徑的玻璃珠或玻璃磚填充；E、將金屬殼體進行密封；F、最后將密封的金屬殼體的 外部用20-30cm厚的玻璃纖維棉包裹隔熱，形成熱儲存裝置。實施中，所述的儲熱磚塊的 制作包括以下步驟a、把回收的雜色廢舊玻璃剔除雜質(zhì)后采用清水進行清洗；b、將清洗干 凈的雜色廢舊玻璃粉碎至直徑小于1毫米的顆粒并充分混合；c、再將粉碎后的雜色廢舊玻 璃加熱至900°C -IIO(TC使之熔化；d、在雜色廢舊玻璃處于熔化的狀態(tài)下通過攪拌5至15 分鐘排除氣泡，使氣泡的含量小于千分之一的體積；e、將排除氣泡后處于熔化的狀態(tài)的雜 色廢舊玻璃灌入儲熱磚模具成形；f、冷卻至500°C -700°C ;g、然后再以每小時30°C -IO(TC 的速度緩慢冷卻至室溫。在進行大規(guī)模制作儲熱磚塊時采用，所述的儲熱磚塊的制作包括 以下步驟a、把回收的雜色廢舊玻璃剔除雜質(zhì)后采用清水進行清洗；b、將清洗干凈的雜色 廢舊玻璃粉碎至直徑小于1毫米的顆粒并充分混合；c、再將粉碎后的雜色廢舊玻璃加熱至 900°C -IIO(TC使之熔化；d、在雜色廢舊玻璃處于熔化的狀態(tài)下通過將高溫玻璃液置于密 封的容器中，在攪拌的同時用抽氣機將容器中的空氣壓力降低到ioo毫巴以下排除氣泡， 使氣泡的含量小于千分之一的體積；e、將排除氣泡后處于熔化的狀態(tài)的雜色廢舊玻璃用軋 機切割出所需重量的塊狀，冷卻至65(TC -75(TC后壓制成形；f、冷卻至500°C -600°C ;g、然 后再以每小時3(TC -IO(TC的速度緩慢冷卻至室溫。在儲熱磚塊的玻璃材料中添加砂石時， 其中的玻璃材料要大于30%，最好是其中的玻璃材料不低于80%，具體的制作方法與上述 純雜色廢舊玻璃混合后的步驟c至g相同。 —個具體的實施方例是，把回收的雜色廢舊玻璃基本別除雜質(zhì)后粉碎、混合，再加 熱至IOO(TC使之熔化。通過攪拌排除氣泡后，灌入儲熱磚模具成形。冷卻至60(TC后再以 不超過每小時IO(TC的速度緩慢冷卻至室溫以避免形成冷卻應力。 在大規(guī)模生產(chǎn)時，可將85(TC左右的熔化玻璃用軋機切割出所需重量的塊狀，冷卻 至70(TC后壓制成形。 工藝的關鍵是熔化的玻璃液中的氣泡。玻璃儲熱磚對氣泡的容忍度大大高于一般 的玻璃產(chǎn)品，但過多的氣泡會在儲熱磚中形成局部應力，降低對熱沖擊的承受能力。因此氣 泡的含量不宜超過千分之一的體積。而玻璃液在IOO(TC時粘稠度較高，不利于氣泡的排出， 提高玻璃液的溫度則明顯增加能量消耗和生產(chǎn)成本。除了通過攪拌排除氣泡外，也可以將 高溫玻璃液灌入密封的容器中，在攪拌的同時用抽氣機將容器中的空氣壓力降低到100毫 巴以下。這可以使玻璃液中的氣泡大大膨脹，有助于其排出玻璃液外。 在正常的工作條件下，只要將儲熱和放熱的功率控制在每立方米儲熱介質(zhì)20千 瓦以下，流過裝置的導熱油溫度與儲熱磚內(nèi)部的溫差就可以保持在正負5(TC的范圍以內(nèi)。 由于導熱油在裝置內(nèi)部的流動為層流，而且導熱油的導熱率遠低于玻璃，上述溫差主要被 導熱油膜層吸收，因此玻璃珠內(nèi)的溫度梯度不超過25°C ，而主儲熱磚內(nèi)的溫度梯度更小于 15°C。這就保證了儲熱裝置可以長時期穩(wěn)定地工作。
權利要求
一種太陽能熱儲存裝置，其特征為所述的熱儲存裝置有一密封的金屬殼體，該金屬殼體上開設兩個導熱液出口，其中一個為冷端出口，另一個為熱端出口；在金屬殼體內(nèi)設有固體儲熱介質(zhì)，該固體儲熱介質(zhì)由多塊固體儲熱磚塊構成，儲熱磚塊的材質(zhì)為玻璃或玻璃與砂石的混合物；儲熱磚塊的內(nèi)部或表面設有至少2道供導熱液流通的孔道、凹槽或缺口，儲熱磚塊的孔道、凹槽或缺口使得儲熱磚塊內(nèi)部或相鄰的儲熱磚塊之間形成供導熱液流通的連通通道。
2. 根據(jù)權利要求l所述的太陽能熱儲存裝置，其特征為在金屬殼體內(nèi)靠近冷端出口 和熱端出口處設有玻璃珠或玻璃塊；在金屬殼體外部包裹隔熱材料。
3. 根據(jù)權利要求1所述的太陽能熱儲存裝置，其特征為固體儲熱介質(zhì)至少占據(jù)金屬 殼體內(nèi)部空間體積的90% ;玻璃與砂石的混合物組成儲熱磚塊中的玻璃含量大于30%，砂 石為花崗巖。
4. 根據(jù)權利要求1所述的太陽能熱儲存裝置，其特征為所述的儲熱裝置為長寬高各為0. 6米的正方體，密封的金屬殼體用0. 5mm厚的鍍鋁鋼板焊成，內(nèi)部用儲熱磚塊緊密填 充，在金屬殼體的上、下方各引出一根24mm直徑的金屬管道作為導熱液出口，下方為冷端， 上方為熱端；密封的金屬殼體外部用25cm厚的玻璃纖維棉包裹隔熱。
5. 根據(jù)權利要求1或4所述的太陽能熱儲存裝置，其特征為儲熱磚塊為長方體，厚度 為4cm，高和寬各為20cm，每邊各設4條導熱液凹槽，兩條導熱液凹槽之間的距離為3_6厘 米，每條凹槽的深度和寬度均為3. 5mm。
6. —種太陽能熱儲存裝置的制造方法，其特征為所述熱儲存裝置的制造方法包括以 下步驟A、采用鍍鋁或鍍鋅鋼板進行焊接制作成金屬殼體；B、在金屬殼體內(nèi)緊密充填儲熱 磚塊，并使相鄰的儲熱磚塊之間形成供導熱液流通的連通通道；C、在金屬殼體的上、下方各 引出一根金屬管道作為導熱液出口 ，金屬殼體上方的管道為熱端，下方的管道為冷端；D、在 金屬殼體內(nèi)部靠近冷熱兩端出口處各留5-15升的空間，采用用5-20mm直徑的玻璃珠或玻 璃磚填充；E、將金屬殼體進行密封；F、最后將密封的金屬殼體的外部用玻璃纖維棉包裹隔 熱，形成熱儲存裝置。
7. 根據(jù)權利要求6所述的一種太陽能熱儲存裝置的制造方法，其特征為所述的儲熱 磚塊的制作包括以下步驟a、把回收的雜色廢舊玻璃剔除雜質(zhì)后采用清水進行清洗；b、將 清洗干凈的雜色廢舊玻璃粉碎至直徑小于1毫米的顆粒并充分混合；c、再將粉碎后的雜 色廢舊玻璃加熱至90(TC -IIO(TC使之熔化；d、在雜色廢舊玻璃處于熔化的狀態(tài)下通過攪 拌5至15分鐘排除氣泡，使氣泡的含量小于干分之一的體積；e、將排除氣泡后處于熔化 的狀態(tài)的雜色廢舊玻璃灌入儲熱磚模具成形；f、冷卻至50(TC -700°C ;g、然后再以每小時 30°C -IO(TC的速度緩慢冷卻至室溫。
8. 根據(jù)權利要求6所述的一種太陽能熱儲存裝置的制造方法，其特征為所述的儲熱磚塊的制作包括以下步驟a、把回收的雜色廢舊玻璃剔除雜質(zhì)后采用清水進行清洗；b、將 清洗干凈的雜色廢舊玻璃粉碎至直徑小于1毫米的顆粒并充分混合；c、再將粉碎后的雜色 廢舊玻璃加熱至90(TC -IIO(TC使之熔化；d、在雜色廢舊玻璃處于熔化的狀態(tài)下通過將高 溫玻璃液置于密封的容器中，攪拌5至15分鐘，在攪拌的同時用抽氣機將容器中的空氣壓 力降低到IOO毫巴以下排除氣泡，使氣泡的含量小于千分之一的體積；e、將排除氣泡后處 于熔化的狀態(tài)的雜色廢舊玻璃用軋機切割出所需重量的塊狀，冷卻至650°C _7501:后壓制成形；f、冷卻至500°C -600°C ;g、然后再以每小時30°C -100°C的速度緩慢冷卻至室溫c
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能熱儲存裝置，其特征為所述的熱儲存裝置有一密封的金屬殼體，該金屬殼體上開設兩個導熱液出口，其中一個為冷端出口，另一個為熱端出口；在金屬殼體內(nèi)設有固體儲熱介質(zhì)，該固體儲熱介質(zhì)由多塊固體儲熱磚塊構成，儲熱磚塊的材質(zhì)為玻璃或玻璃與砂石的混合物；儲熱磚塊的內(nèi)部或表面設有至少2道供導熱液流通的孔道、凹槽或缺口，儲熱磚塊的孔道、凹槽或缺口使得儲熱磚塊內(nèi)部或相鄰的儲熱磚塊之間形成供導熱液流通的連通通道。本發(fā)明提出的解決途徑是采用直接浸潤于流動的高溫導熱液體(導熱油或熔化硝酸鹽等)中的特制磚塊作為固體儲熱介質(zhì)，不加金屬管道隔離。這些磚塊的特征是它們的表面為玻璃質(zhì)材料。玻璃材質(zhì)極少孔隙且可有效阻隔導熱液的滲透，因此大大改善了導熱液浸潤磚體內(nèi)孔隙導致的液體消耗，也不會產(chǎn)生污染導熱液引起結垢的問題。
文檔編號F24J2/34GK101737969SQ20081020227
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月5日 優(yōu)先權日2008年11月5日
發(fā)明者肖剛 申請人:上海神曦太陽能科技有限公司