2015年1月6日，華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院徐超教授等發(fā)明的《一種太陽能熱發(fā)電用單罐雙罐復(fù)合儲熱系統(tǒng)及儲熱方法》獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局的發(fā)明專利授權(quán)。
該發(fā)明采用了將單罐斜溫層儲熱子系統(tǒng)和雙罐儲熱子系統(tǒng)進(jìn)行耦合的思路，將兩種儲熱系統(tǒng)的優(yōu)勢結(jié)合起來，解決了單罐斜溫層儲熱技術(shù)效率低、運(yùn)行方式單一等固有缺點(diǎn)，具有儲熱成本低、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行方式靈活等技術(shù)優(yōu)勢，為光熱發(fā)電儲熱技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用提供了一種新方案。
儲熱系統(tǒng)是光熱發(fā)電的核心競爭力體現(xiàn)，雙罐熔鹽儲熱技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最為成熟、最為廣泛的儲熱技術(shù)。雙罐儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，但由于其具有兩個(gè)儲熱罐，需要的儲熱介質(zhì)更多，系統(tǒng)成本較高。
單罐儲熱系統(tǒng)只有一個(gè)儲熱罐，具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)，又稱為斜溫層儲熱系統(tǒng)。放熱時(shí)高溫儲熱工質(zhì)在罐的頂部被高溫泵抽出，經(jīng)過換熱器放熱冷卻后，由罐底部進(jìn)入罐內(nèi)；充熱時(shí)低溫儲熱工質(zhì)在罐的底部被低溫泵抽出，經(jīng)過換熱器加熱后，由罐的頂部進(jìn)入罐內(nèi)。但由于太陽輻照強(qiáng)度的復(fù)雜波動(dòng)，單罐系統(tǒng)的頻繁充放熱切換將加劇進(jìn)出口的局部紊流，使其效率逐漸下降，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不夠穩(wěn)定；另外，單罐系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行充、放熱等操作，運(yùn)行方式受到強(qiáng)烈限制。
單罐-雙罐儲熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
徐超等的此項(xiàng)新發(fā)明基于“大單罐加小雙罐”的配置，結(jié)合了單罐系統(tǒng)成本更低和雙罐系統(tǒng)穩(wěn)定性更佳的雙重優(yōu)點(diǎn)，對儲熱技術(shù)的革新具有一定參考意義和價(jià)值。其主要的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：
1、單罐斜溫層儲熱子系統(tǒng)承擔(dān)大部分的儲熱容量，可以有效利用單罐斜溫層儲熱技術(shù)的成本優(yōu)勢，而耦合雙罐儲熱子系統(tǒng)，增大儲熱量同時(shí)共用冷熱流體泵及管路設(shè)備，從而降低儲熱成本。
2、雙罐儲熱子系統(tǒng)承擔(dān)小部分的儲熱容量，主要作為緩沖系統(tǒng)應(yīng)對白天日照波動(dòng)，避免了對單罐斜溫層儲罐頻繁充、放熱切換操作而加劇斜溫層膨脹和擴(kuò)張的缺點(diǎn)，有效減小斜溫層的退化，提高儲熱效率和系統(tǒng)靈活性。
3、單罐雙罐復(fù)合儲熱系統(tǒng)將單罐斜溫層儲罐在完成設(shè)定出口閾值放熱后繼續(xù)深度放熱，這部分低于閾值溫度的熱流體存儲在熱流體儲罐中，這樣不僅減少了留在單罐斜溫層儲罐中導(dǎo)致這部分熱流體與低溫流體逐漸混合品質(zhì)降低的影響，提高單罐斜溫層儲罐的儲熱能力，而且還實(shí)現(xiàn)了溫度梯級利用，提高系統(tǒng)的熱利用效率，減小了不可逆損失。
4、冷熱流體泵布置在體積相對較小的雙罐儲熱子系統(tǒng)的高、低溫儲熱罐內(nèi)（斜溫層單罐內(nèi)沒有流體泵），可能降低泵的液下深度等要求，從而降低流體泵的成本。
5、單罐雙罐復(fù)合儲熱系統(tǒng)適用范圍廣，可通過采用不同的操作策略來應(yīng)對復(fù)雜輻照波動(dòng)；可用于多種采用液體做傳熱介質(zhì)的槽式或塔式等太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。
光熱發(fā)電配儲熱系統(tǒng)已成為在中國開發(fā)光熱電站的必要前提，在此背景下，國內(nèi)已有不少企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在著力推進(jìn)新一代儲熱系統(tǒng)的研發(fā)和示范。對于熔鹽儲熱系統(tǒng)的革新可以從兩方面著手，一是熔鹽儲熱材料的革新，如采用低熔點(diǎn)熔鹽產(chǎn)品提升系統(tǒng)換熱效率，二是革新儲熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如本文所述的這種新型儲熱系統(tǒng)。這兩點(diǎn)也是全球范圍內(nèi)行業(yè)人士所致力于尋求突破的關(guān)鍵點(diǎn)。
徐超表示，他針對熔融鹽單罐斜溫層儲熱已經(jīng)進(jìn)行了四年多的研究，在國際權(quán)威SCI期刊上發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文，日前授權(quán)的發(fā)明專利解決了單罐儲熱系統(tǒng)的一些固有缺點(diǎn)。目前他正在就該專利技術(shù)具體的系統(tǒng)集成特性和經(jīng)濟(jì)性分析作進(jìn)一步的研究，希望能藉此推動(dòng)國內(nèi)CSP儲熱技術(shù)的應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)，為了盡快推動(dòng)該項(xiàng)專利技術(shù)的示范應(yīng)用進(jìn)程，也歡迎對該技術(shù)感興趣的相關(guān)企業(yè)與其共同探討進(jìn)行一些實(shí)際的合作。
該專利的第一發(fā)明人徐超原就職于中科院電工研究所，該項(xiàng)發(fā)明是其在該所工作時(shí)牽頭的項(xiàng)目研發(fā)成果。該專利的聯(lián)合發(fā)明人還包括常哲韶、李鑫和王志峰三人。該項(xiàng)專利于2013年5月11日提交專利申請，2015年1月6日獲得授權(quán)，專利權(quán)人為中國科學(xué)院電工研究所。
