專利名稱：一種固體儲熱結構及加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種儲熱裝置，特別涉及一種太陽能光熱利用系統(tǒng)中的儲熱裝置。
背景技術：
太陽能是比較理想的清潔能源，但利用上卻存在時效性問題，日照期間所接受的能量超過所需，日落之后卻無法發(fā)揮作用。因而如何把日照時多余的能量儲存起來，以用于日落后系統(tǒng)的持續(xù)運行，即取有余以補不足，成為實現(xiàn)太陽能熱利用裝置連續(xù)運行的關鍵問題?，F(xiàn)有的太陽能儲存技術中，有報道或使用過多種儲熱介質(zhì)。近年有報道在實驗室中獲得以特定材料作基體支撐的復合相變材料(定形相變材料)，用以儲存熱量，但其存在導熱系數(shù)低的缺點，而且相變材料在儲熱過程中發(fā)生相變，由于體積的變化，容易發(fā)生漏露的隱患。另外，工業(yè)上也有使用三元鋁合金用以作為相變儲存材料，多次循環(huán)使用對于儲熱 性能，例如相變儲熱的溫度、壽命等參數(shù)有負面作用，因為儲熱材料本身在工作過程中進行反復的固液相變，雜質(zhì)元素將會影響其使用性能和使用壽命。目前現(xiàn)有的已經(jīng)工業(yè)化的太陽能熱發(fā)電機組多利用無機鹽做儲熱材料，但無機鹽在相變過程中存在過冷和相分離的缺點，影響了儲熱能力，并且其凝固溫度過高，造成夜間為保證其不凝固而進行的保溫循環(huán)熱損失較大，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)凝固點后處置困難，存在安全隱患；熔鹽系統(tǒng)管路中使用的泵、閥價格昂貴且使用壽命也比較短，而且無機鹽具有毒性，容易泄漏發(fā)生火災，且泄漏會對環(huán)境造成的污染。固態(tài)儲熱方案有混凝土儲熱，成本較高，導熱系數(shù)較低等等；砂石儲熱，雖然價格便宜，但導熱率低，換熱困難，不能定型自支撐，影響使用；固體金屬或合金儲熱雖然機械強度好，導熱率高，但價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的上述問題，提供一種成本低廉、導熱好，熱容大，儲熱性能好，可應用于多領域儲熱的固體儲熱結構和所述固體儲熱結構的加工方法。本發(fā)明提供了一種固體儲熱結構，所述固體儲熱結構是由固體儲熱塊和粘接填充材料形成的立體貫通層狀或網(wǎng)格狀結構；所述固體儲熱塊形狀規(guī)則；所述粘結填充材料具有高導熱率；所述立體貫通層狀或網(wǎng)格狀結構是由粘接填充材料填充固體儲熱塊形成的空隙構成。優(yōu)選地，所述固體儲熱塊材質(zhì)為巖石、陶瓷、玻璃、石墨、金屬和混凝土等。優(yōu)選地，所述固體儲熱材料為中空結構，其中所述中空結構內(nèi)布置一定溫度范圍內(nèi)有可相變的填充物質(zhì)。優(yōu)選地，所述填充物質(zhì)為有機材料，例如浙青、甘油、石蠟中的一種或幾種。優(yōu)選地，所述填充物質(zhì)為低熔點材料，如鉛、錫、鋅、鋁等優(yōu)選地，所述固體儲熱塊的規(guī)則形狀外形為板形、條形、塊形、環(huán)形、棍形等。
優(yōu)選地，所述固體儲熱結構包含一種或多種形狀或尺寸的固體儲熱塊。優(yōu)選地，所述固體儲熱塊的表面平整，并通過噴砂或腐蝕或霧化等方式獲得外表面的微觀的大表面積。優(yōu)選地，所述固體儲熱塊的表面涂有涂層，例如銅、鋁、鉻、鎳、銀或錫等金屬及合金等高導熱金屬涂層或其它高導熱易粘接涂層，以進行的粘結填充材料的粘接、焊接和熔融浸潤，減少空隙，增強導熱效果，提高結合力。優(yōu)選地，所述涂層采用真空鍍、化學鍍或噴涂等方式加工，增強滲透性和結合力，改進導熱效果。優(yōu)選地，所述固體儲熱結構內(nèi)部布置有換熱管道系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述換熱管道為金屬管道系統(tǒng)。
優(yōu)選地，所述部分換熱管道為固體儲熱塊貫通孔洞形成的孔洞換熱通道。優(yōu)選地，所述粘接填充材料為高導熱金屬片材，例如純鋁、鐵、錫、鋅、鉛、銅及其合金片材中的一種或幾種。優(yōu)選地，所述粘結填充材料包括粘結劑；所述粘結劑涂覆于高導熱金屬片材表面或固體儲熱塊表面。優(yōu)選地，所述粘結劑為低熔點金屬，例如錫、鉛或合金。優(yōu)選地，所述粘結劑為導熱膠。優(yōu)選地，所述固體儲熱結構的外部包覆有金屬薄片，減少空氣侵入，延長使用壽命。進一步，所述固體儲熱結構的外部包覆一定厚度的低導熱率絕熱材料或絕熱結構，減少熱量散失，提高儲熱效能。本發(fā)明還提供一種固體儲熱結構的加工方法，包括以下步驟，步驟A，將固體儲熱塊進行表面預處理和鍍膜；步驟B，將粘結填充材料或固體儲熱塊進行粘結劑或浸潤劑涂覆；步驟C，將各固體儲熱塊間隙間布置粘結填充材料進行預堆積，同時嵌入布置換熱
管道；步驟D，將布置好的固體儲熱塊、粘接填充片材及換熱管道組合在特定溫度下進行粘接或焊接或熔融固化，完成一體化成型。優(yōu)選地，在步驟C結束后，將一定尺寸的金屬薄片布置于固體儲熱塊的外表，以獲得在固化成型后的固體儲熱塊外部具有金屬保護層。優(yōu)選地，步驟D在真空環(huán)境中完成，減少氣隙，防止氧化。本發(fā)明所固體儲熱結構可應用于太陽能光熱利用系統(tǒng)。本發(fā)明的固體儲熱介質(zhì)不具有流動性，儲熱利用固體顯熱性能儲熱，運行安全；整個固體儲熱塊表面平整且具有微觀大表面積，且致密涂覆有高導熱涂層，能改善與粘接填充材料的粘接焊接性能，獲得良好界面換熱性能。規(guī)則固體儲熱塊按一定規(guī)律堆砌，在三維空間均具有連續(xù)的界面縫隙，可方便有效的布置整體片狀填充材料，且同時在固體儲熱結構內(nèi)部嵌入布置換熱管道，通過粘接或焊接或熔融固化使高導熱率金屬片材能有效填充固體儲熱塊的空隙，使之形成均勻地分布于整個固體儲熱結構空間內(nèi)立體緊密層狀或網(wǎng)格狀結構，大量增強了多界面之間的傳熱，使介質(zhì)整體具有良好的熱導率及整體換熱性能。同時，相對于固體儲熱材料的體積或質(zhì)量，粘接填充材料體積或質(zhì)量可以很小，因此成本很低。該固體儲熱結構采用低成本固體儲熱塊和低體積或質(zhì)量比的粘結填充材料，總體成本低、導熱好、熱容大，可應用于各種儲熱應用，特別是太陽能光熱利用系統(tǒng)。


下面參照附圖對本發(fā)明的具體實施方案進行詳細的說明，附圖中圖I是本發(fā)明固體儲熱塊整體結構用于高溫的第一實施例示意圖；圖2是本發(fā)明固體儲熱塊整體結構用于中溫的第二實施例示意圖；圖3是本發(fā)明固體儲熱塊整體結構用于低溫的第三實施例示意圖；圖4是本發(fā)明固體儲熱塊整體結構的加工方法流程圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。圖I、圖2和圖3是本發(fā)明的固體儲熱結構I整體結構不同應用溫度下的結構實施例示意圖。如圖所示，固體儲熱結構I由多塊規(guī)則形狀的固體儲熱塊2，優(yōu)選為一種或多種形狀或尺寸的固體儲熱塊2堆砌而成，具體包括固體儲熱塊2和高導熱率的粘結填充材料3 ;二者整體形成的高熱導儲熱固體儲熱結構I。在固體儲熱結構I內(nèi)部布置有換熱管道4，優(yōu)選為金屬換熱管道4，高導熱粘接填充材料3與換熱管路4緊密良好接觸，比如焊接；如果熱量輸入介質(zhì)為氣態(tài)，例如空氣，換熱管道4的換熱輸入管道4-1可以為固體儲熱塊2開孔貫通的孔洞換熱通道；外部布置保護固體儲熱結構I的金屬薄片5。其中固體儲熱塊2優(yōu)選為巖石、陶瓷、玻璃、石墨、金屬或混凝土等。優(yōu)選地，陶瓷、金屬和混凝土為中空結構，其中中空結構內(nèi)布置有可相變的填充物質(zhì)。優(yōu)選地，填充物質(zhì)為有機材料，例如浙青、甘油、石蠟中的一種或幾種。優(yōu)選地，固體儲熱塊2的形狀為板形、條形、塊形、環(huán)形、棍形等。優(yōu)選地，固體儲熱塊2的表面平整且具有大的比表面積。優(yōu)選地，固體的表面涂有金屬涂層，例如銅、鋁、鉻、鎳、銀或錫等金屬及合金，方便進一步進行的粘結填充材料3結合的浸潤，減少空隙，提高結合力，增強導熱效果。優(yōu)選地，涂層采用真空鍍、化學鍍或噴涂等方式加工，增強滲透性和結合力，改進導熱效果。粘結填充材料3為高導熱率金屬片材，優(yōu)選地，高導熱率金屬片材為純鋁、鐵、錫、鋅、鉛、銅及其合金中的一種或幾種。圖I顯示用于高溫的多層固體儲熱塊2與粘結填充材料3的交替布置的第一實施例的結構單元；高溫固體儲熱結構I中粘結填充材料3的高導熱率鋁金屬片材在高溫下，例如700°C，熔化成液態(tài)且在浸潤劑的添加下浸透進入表面已預涂金屬涂層的固體儲熱結構I的空隙，使得固體儲熱塊2同時與換熱管路緊密相連，熔融固化冷卻后成為整體，優(yōu)選地，該過程在真空環(huán)境下完成，減少氣隙及氧化；具體尺寸，例如為200mmX 200mmX IOOOmm的長方形石塊，多個固體儲熱塊2規(guī)則堆砌，具有很少的孔隙率；以防止因為溫度變化引起的膨脹不一致情況，粘結填充材料3在的高導熱率金屬片材的尺寸小于固體儲熱塊2尺寸，例如為200mmX200mmX3mm ;且換熱管道為相互獨立的兩管道,分別為換熱輸出管道4_1和換熱輸入管道4-2 ;—定間距上焊接置于固體儲熱塊2間隙高導熱率金屬片材。在IOOOmm的長度上間隔布置5片，整體宏觀上，高導熱率金屬片材總體積為固體儲熱塊2體積的3. 04%，假定高導熱率金屬片材為鋁或鋁合金，因其密度與石塊密度相近，可以總體估算高導熱率金屬片材占總質(zhì)量的4%左右的用量，同時保證固體儲熱塊2之間的縫隙時間的導熱能力。圖2顯示用于中溫的多層固體儲熱塊2與粘結填充材料3橫豎交替布置的第二實施例的結構單元，規(guī)則的固體儲熱塊2按不同的方位布置，其較圖I顯示單元更加具有各向同性的導熱率，均溫性能更加優(yōu)良；粘結填充材料3的高導熱率金屬片材表面涂有低熔點金屬粘結劑，例如錫層，在中溫下，例如300°C，片材不發(fā)生熔化，而涂覆于其表面之上的低熔點金屬粘結劑處于熔融狀態(tài)，浸透進入固體儲熱結構I的空隙內(nèi)，與固體表面預涂的金屬涂層浸潤，使得固體儲熱塊2同時與換熱管路緊密相連，冷卻后與固體儲熱塊2表面的涂層共同凝固焊接固化形成中溫的儲熱固體結構I整塊；優(yōu)選地，該過程在真空環(huán)境下完成，減少氣隙及氧化；如圖2所示，固體儲熱結構I內(nèi)部布置U型的換熱管道4，分別為換熱輸入管道4-1和換熱輸出管道4-2。 圖3顯示用于低溫的多層圓形的表面平整且具有大表面積的固體儲熱塊2與粘結填充材料3交替布置第三實施例的結構單元；固體儲熱塊2表面預涂高導熱易粘接涂層并可進一步預涂導熱膠，粘結填充材料3的高導熱率金屬片材表面也可預涂導熱膠，在低溫下，例如，150°C，導熱膠固化使得固體儲熱塊2與換熱管路緊密相連，完成固體儲熱結構I成型；優(yōu)選地，該過程在真空環(huán)境下完成，減少氣隙及氧化；固體儲熱結構I內(nèi)部布置U型的換熱管道，分別為換熱輸入管道4-1和換熱輸出管道4-2。假定固體儲熱塊2的直徑為
I.5m,高度為50mm，每個高導熱率金屬片材厚度為3mm，固體儲熱結構I的總高度為I. 5m,則高導熱率金屬片材的質(zhì)量占整個固體儲熱結構I的總質(zhì)量的大約為6%;假定固體儲熱塊2的儲熱溫差為100°C，例如25 125°C，則整個固體儲熱塊2的總儲熱熱量大于250kwh。為了減少固體儲熱結構I的腐蝕，結構外部布置有金屬薄片5，如圖I 3，金屬薄片5位于固體儲熱塊2的外部阻隔外部的水汽和氧氣，以防固體儲熱結構I的粘結填充材料3的氧化，以維持長期的高導熱率；在固體儲熱結構I的外部布置低導熱率的保溫層，以固體儲熱結構I的熱量的損失。在進一步的設計中，優(yōu)選地，在所述金屬管路系統(tǒng)中配置翅片，以增強換熱面積和換熱能力；優(yōu)選地，在導熱能力滿足要求的情況下，可盡量減少粘結填充材料3用量，以降低成本，同時盡量加大粘結填充材料3與固體儲熱塊2間的接觸面積，增強熱傳能力。優(yōu)選地，在保證導熱效果的前提下，盡量降低與固體儲熱塊2相比價格較高的粘結填充材料3使用量，降低總體成本；同時在保證粘結填充材料3能充分流動并填充空隙的前提下，盡量加大粘結填充材料3與固體儲熱塊2的接觸面積，增強熱傳能力。高熱導率的粘結填充材料3的立體網(wǎng)狀結構相對均勻的分布于整個儲熱介質(zhì)空間內(nèi)，且換熱管道4通過熔融或焊接或粘結的方式連接于高熱導率粘結填充材料3，大大增強了熱能的傳遞，使介質(zhì)整體具有良好的熱導率。圖4是本發(fā)明固體儲熱塊2整體結構的加工方法流程圖。整個固體儲熱結構I的加工方法，包括三個步驟，分別為步驟A，將固體儲熱塊2進行表面預處理和鍍膜；步驟B，將粘結填充材料3或固體儲熱塊2進行粘結劑或浸潤劑涂覆；步驟C，將各固體儲熱塊2間隙間布置粘結填充材料3進行預堆積，同時嵌入布置換熱管道4 ;步驟D，將布置好的固體儲熱塊2、粘接填充片材及換熱管道4組合在特定溫度下進行粘接或焊接或熔融固化，完成一體化成型。具體的步驟為步驟A、將固體儲熱塊2進行表面預處理、鍍膜將具有特定尺寸平整的固體儲熱塊2進行表面預處理，例如噴砂、霧化等方法，以獲得具有大比表面積，然后置于真空鍍膜室內(nèi)，進行真鍍鋁或鍍銅或鍍鉻或鍍錫，使固體儲熱塊2表面與粘結填充材料3具有更好的浸潤性能；步驟B、將粘結填充材料3或固體儲熱塊2進行粘結劑或浸潤劑涂覆當制作高溫固體儲熱結構I時，直接涂覆浸潤劑；當制作中溫固體儲熱結構I時，涂覆低熔點金屬粘結劑，如錫粘結劑；當制作低溫固體儲熱結構I時，涂覆導熱膠；步驟C，將各固體儲熱塊2間隙間布置粘結填充材料3進行預堆積，同時嵌入布置換熱管道4 :每個固體儲熱塊2的間隙間布置粘結填充材料3，為了降低溫度變化弓I起的體積膨脹不一致性，每個粘結填充材料制作的較?。粨Q熱管道4為相互獨立的兩管道，一定間距上焊接置于固體儲熱塊2間隙高導熱率金屬片材；步驟D，將布置好的固體儲熱塊2、粘接填充片材及換熱管道4組合在特定溫度下進行粘接或焊接或熔融固化，完成一體化成型多塊固體儲熱塊2與涂覆有浸潤劑的粘結填充材料3交替壓緊布置，將準備好的固體儲熱塊2置于真空加熱室，且儲熱塊的最外部布置金屬薄片5 ;將換熱管道4、固體儲熱塊2及粘結填充材料3形成一體，形成應用于高溫的固體儲熱結構I的熔融固化成型，如此形成外部具有保護金屬薄片5，外部具有保溫層，內(nèi)部具有熱能輸送管道，整體具有導熱性能好，儲熱能力強的固體儲熱結構I ;而在高導熱率金屬片材或固體儲熱塊2表面上涂覆錫層和導熱膠，分別在中溫和低溫狀態(tài)，將錫層熔化或?qū)崮z熱處理，通過焊接或粘結的方式固化獲得中低溫固體儲 熱結構I。本發(fā)明提供了一種由固體儲熱結構，通過高熱導率的材質(zhì)熔融、焊接或粘結的方式置于固體儲熱結構之中，在固體儲熱塊的內(nèi)部空間形成由高熱導率材質(zhì)構成的立體貫通網(wǎng)狀結構，將固體儲熱塊固定形成一個整體，具備自支撐能力；該固體儲熱介質(zhì)不具有流動性，儲熱利用固體顯熱性能儲熱，運行安全；整個儲熱介質(zhì)緊密形成一體，大量增強了多界面之間的傳熱，且高熱導率材質(zhì)的立體網(wǎng)狀結構相對均勻的分布于整個儲熱介質(zhì)空間內(nèi)，大大增強了熱能的傳遞，使介質(zhì)整體具有良好的熱導率；并且該儲熱介質(zhì)的主要部分所選材料成本低廉，來源豐富，制作簡單，具有很高的性能價格比；同時由于不存在熔鹽類物質(zhì)的低溫凝固后影響流動的問題，可以具有很大的換熱溫差，擴大了使用溫度范圍，因此具有更大的儲熱能力；該固體儲熱結構成本低、導熱好、熱容大，可應用于各種儲熱應用，特別是太陽能光熱利用系統(tǒng)。顯而易見，在不偏離本發(fā)明的真實精神和范圍的前提下，在此描述的本發(fā)明可以有許多變化。因此，所有對于本領域技術人員來說顯而易見的改變，都應包括在本權利要求書所涵蓋的范圍之內(nèi)。本發(fā)明所要求保護的范圍僅由所述的權利要求書進行限定。
權利要求
1.一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱結構(I)是由固體儲熱塊(2)和粘接填充材料(3)和形成的立體貫通層狀或網(wǎng)格狀結構；所述固體儲熱塊(2)形狀規(guī)則；所述粘結填充材料(3)具有高導熱率；所述立體貫通層狀或網(wǎng)格狀結構是由粘接填充材料(3)填充固體儲熱塊(2)形成的空隙構成。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱塊(2)材質(zhì)為巖石、陶瓷、玻璃、石墨、金屬和混凝土等。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱塊(2)表面平整且具有大表面積；且表面涂有金屬涂層或高導熱易粘接涂層
4.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述涂層采用真空鍍或化學鍍或噴涂方式加工。
5.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱塊(2)的外形為板形、條形、塊形、環(huán)形、棍形等。
6.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱塊(2)為中空結構，內(nèi)部填充低熔點金屬、合金。
7.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述粘結填充材料(3)為高導熱率金屬片材。
8.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述高導熱率金屬片材為純鋁、鐵、錫、鋅、鉛、銅及其合金中的一種或幾種。
9.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述粘結填充材料(3)包括粘結劑。
10.根據(jù)權利要求9所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述粘結劑為錫、鉛或合金等低熔點金屬。
11.根據(jù)權利要求9所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述粘結劑為導熱膠。
12.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱結構(I)內(nèi)部包括換熱管道。
13.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱結構(I) 內(nèi)部換熱管道為固體儲熱塊(2)內(nèi)部貫通的孔洞換熱通道。
14.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱結構(I)的外部包覆有金屬薄片(5)。
15.根據(jù)權利要求I所述的一種固體儲熱結構(I)，其特征在于，所述固體儲熱結構(I)可利用于太陽能光熱利用系統(tǒng)。
16.一種固體儲熱結構(I)的加工方法，包括以下步驟， 步驟A，將固體儲熱塊(2)進行表面預處理和鍍膜； 步驟B，將粘結填充材料(3)或固體儲熱塊(2)進行粘結劑或浸潤劑涂覆； 步驟C，將各固體儲熱塊(2)間隙間布置粘結填充材料(3)進行預堆積，同時嵌入布置換熱管道⑷； 步驟D，將布置好的固體儲熱塊(2)、高導熱粘接填充片材及換熱管道(4)組合在特定溫度下進行粘接或焊接或熔融固化，完成一體化成型。
17.根據(jù)權利要16所述的一種固體儲熱結構(2)的加工方法，其特征在于，所述固體儲熱結構(I)的外部布置有保溫材料。
18.根據(jù)權利要16所述的一種固體儲熱結構(2)的加工方法，其特征在，所述步驟D在真空環(huán)境中完成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種固體儲熱結構及加工方法，所述固體儲熱結構是由規(guī)則形狀的固體儲熱塊及高導熱率的粘結填充材料形成的自支撐的立體貫通層狀或網(wǎng)狀結構，粘結填充材料中的高導熱率金屬片材在一定溫度下熔化成液態(tài)浸透進入固體儲熱塊的空隙，或只有其中粘結劑熔化或粘結固體儲熱塊，冷卻后與固體儲熱塊共同凝固或焊接或粘結固化形成儲熱固體結構整塊。本發(fā)明的固體儲熱介質(zhì)利用固體顯熱性能儲熱，運行安全，加工簡單，成本低廉；高熱導率材質(zhì)的立體網(wǎng)狀結構相對均勻的分布于整個儲熱介質(zhì)空間內(nèi)，大大增強了熱能的傳遞，使介質(zhì)整體具有良好的熱導率；該固體儲熱結構導熱好、熱容大，可應用于各種儲熱應用，特別是太陽能光熱利用系統(tǒng)。
文檔編號C09K5/14GK102748974SQ201110100199
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權日2011年4月21日
發(fā)明者劉陽 申請人:北京實力源科技開發(fā)有限責任公司