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CN117989906A - 一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统 - Google Patents

一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统，包括加热模块；储能‑辐射模块，自身高导热，用于接收加热模块的热量，以储能并对外发出红外辐射能量；冷却模块，用于冷却热电转换模块；以及隔热模块，用于保持环境温度，加热模块、储能‑辐射模块、热电转换模块及隔热模块安装于隔热模块上。1)本发明为超高温显热储热系统，能利用储热材料的高温高比热特性，相比于传统储能技术能大幅提高储能密度；2)本发明利用了储热材料的高热导率和优异的电学性质，增加了储能系统充放热速率和输出功率；3)本发明能采用高温储热材料，并采用光谱调控能大幅提高光伏板热电转化效率。

Description

一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统
技术领域
本发明涉及热储能技术领域，具体涉及一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统。
背景技术
大部分新能源都存在着波动性和间歇性的问题，储能技术是解决新能源上述问题的重要途径。时至今日，储能技术发展出以下三个方向：一是机械储能，以抽水蓄能和压缩空气储能为代表，二者技术较为成熟，但在实际应用中对于地理条件有特殊需求；二是电化学储能，以锂离子电池为代表的电化学储能效率高、循环特性好、能量密度高，在电子设备和汽车工业领域有着广泛应用，但是在大规模储能的应用场景下其高成本和安全性问题仍然难以突破；三是热储能技术，相比于前两类储能技术，热储能技术没有地域限制，储热介质可以采用低成本材料，在规模化应用的场景中具有成本和安全性优势。
目前的较为成熟的储热技术是熔盐储热，该技术通过加热熔盐将热量以显热的形式存储，并通过对流换热提高加热和放热速度，技术路径简单可靠，在太阳能热发电及工商业储能领域已经广泛应用。但是熔盐储能技术的温度较低，储能密度低；同时高温熔盐流体潜热存在着泄露的风险，容易造成安全事故。一般而言，储能材料温度越高，其比热容越大；如果将热量以高温存储，不仅能大幅度提升储能密度，还能提升能源品味。以1000-2000℃石墨充放热为例，其储能密度能够达到1294kWh/m3，是电化学储能的三倍以上。
发明内容
针对上述问题，现提供一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统，旨在利用石墨材料的高导电和高导热特性实现储热材料的快速加热，进行热量快速存储；利用超高温度下储热材料的高比热容提高储能密度；利用高导热性和大温差来提高系统放电功率，利用发射极涂层光谱调控以及热光伏薄膜背反射抑制低能光子的发射和吸收，提高转换效率，从而实现电网级大规模低成本和高效率的电能存储。
具体技术方案如下：
一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统，包括：
加热模块，用于加热储热-辐射模块；
储能-辐射模块，自身高导热，用于接收加热模块的热量，以储能并对外发出红外辐射能量；
热电转换模块，用于接收储能-辐射模块能量并对外转化为电能；
冷却模块，用于冷却热电转换模块；以及
隔热模块，用于保持环境温度，加热模块、储能-辐射模块、热电转换模块及隔热模块安装于隔热模块上；
其中，当电能富余时加热模块接入电路，储能-辐射模块在通电条件下升温至高温以储能；当电能不足时热电转换模块接收储能-辐射模块能量并对外转化为电能。
进一步的，隔热模块包括外壳体、内壳体、隔热插板，内壳体安装于外壳体内，隔热插板上开设有转换通孔，隔热插板滑动式的安装于内壳体上，加热模块、储能-辐射模块及热电转换模块安装于内壳体内，储能-辐射模块及热电转换模块间具有辐射换热通道；
其中，当电能富余时隔热插板滑动并关闭辐射换热通道，加热模块接入电路加热至高温，储能-辐射模块被加热升温并储能；当电能不足时隔热插板滑动，以借助转换通孔使辐射换热通道开启，热电转换模块接收储能-辐射模块能量并对外转化为电能。
进一步的，隔热模块还包括均热板，均热板安装于内壳体内，均热板相对位于储能-辐射模块上方，且均热板背离储能-辐射模块的一面覆盖有选择性发射涂层。
进一步的，加热模块为加热电极。
进一步的，储能-辐射模块由高导热材料制成。
进一步的高导热材料为金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或石墨及其复合材料中的一种或几种。
进一步的，热电转换模块为热光伏。
进一步的，冷却模块包括冷却板，冷却板内设有冷却腔，冷却腔与冷媒进管及冷媒出管连通，热电转换模块安装于冷却板上。
上述方案的有益效果是：
1)本发明为超高温显热储热系统，能利用储热材料的高温高比热特性，相比于传统储能技术能大幅提高储能密度；
2)本发明利用了储热材料(石墨)的高热导率(5-200W/(m·K))，提高储能系统充放热速率和输出功率，能实现电能的快速存储和释放；
3)本发明能采用高温储热材料，采用光谱调控能大幅提高光伏板热电转化效率；
4)本发明采用非接触式换热方式，体积小、无噪音、使用寿命长、无环境限制。
附图说明
图1为本发明的实施例中提供的发电系统的结构示意图；
图2为储能-辐射模块的性能测试图。
附图中：10、加热模块；11、加热丝；12、绝缘陶瓷；20、储能-辐射模块；30、热电转换模块；40、冷却模块；41、冷却板；50、隔热模块；51、外壳体；52、内壳体；53、隔热插板；54、均热板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明的实施例中提供的超高温固态显热储热及热光伏发电系统包括加热模块10、储能-辐射模块20、热电转换模块30、冷却模块40以及冷却模块40；储能-辐射模块20用于快速接收加热模块10的热量，以储能并对外发出红外辐射能量；热电转换模块30用于接收储能-辐射模块20能量并对外转化为电能；冷却模块40用于冷却热电转换模块30；冷却模块40用于保持环境温度，加热模块10、储能-辐射模块20、热电转换模块30及隔热模块50安装于隔热模块50上。
本发明中当电能富余时加热模块10(优选为加热电极)接入电路，储能-辐射模块20被加热，从而升温至高温以储能；当电能不足时热电转换模块30(优选为热光伏)接收储能-辐射模块20能量并对外转化为电能。
作为一种具体的示例，如图1所示，本发明中储能-辐射模块20内设有通孔，加热模块10中加热丝11内置于该通孔内，加热丝11和储热-辐射模块20间通过绝缘陶瓷12隔开；上述结构下当加热丝11接入电路并加热至高温后，储能-辐射模块20可被加热升温并储能。
作为一种具体的示例，如图1所示，本发明中隔热模块50包括外壳体51、内壳体52、隔热插板53，内壳体52安装于外壳体51内，隔热插板53上开设有转换通孔，隔热插板53滑动式的安装于内壳体52上，加热模块10、储能-辐射模块20及热电转换模块30安装于内壳体52内，储能-辐射模块20及热电转换模块30间具有辐射换热通道；上述结构下当电能富余时隔热插板53滑动并关闭辐射换热通道，加热模块10接入电路并加热储能-辐射模块20，储能-辐射模块20升温并储能；当电能不足时隔热插板53滑动，使得隔热插板53上转换通孔与辐射换热通道连通，以借助转换通孔使辐射换热通道开启，热电转换模块30接收储能-辐射模块20能量并对外转化为电能。
于上述技术方案基础上，进一步的，本实施例提供的发电系统中隔热模块还包括均热板54，均热板54安装于内壳体52内，且均热板54相对位于储能-辐射模块20上方，上述均热板52背离储能-辐射模块20的一面覆盖有选择性发射涂层。上述均热板54由高热导率材料制成，其可以使选择性发射涂层(光谱选择发射涂层采用金属W涂层，保证波长小于1800nm较高的热辐射，抑制波长大于1800nm的长波辐射，提高系统热-电转换效率)的表面温度均匀，防止因光谱失配导致的热光伏转化效率的降低。
作为一种具体的示例，如图1所示，本发明中冷却模块40包括冷却板42，冷却板42内设有冷却腔，冷却腔与冷媒进管及冷媒出管连通，热电转换模块30安装于冷却板42上，以借助冷媒流动控制热电转换模块30温度。
本发明中储能-辐射模块20优选为高比热石墨材料(图2a)，假设系统充放热循环温度为1000～1800℃，石墨显热储热能量密度为1035kWh/m3(图2b),1500℃时热导率约为为50W/(m·K)。构建圆环状储热模块，外径为75mm，内径为25mm，高度为600mm，通过理论计算可以发现该模块的容量约为12kWh，在30kW的充电功率下只需1.6小时，可充满热(与市面快充式充电桩速度相当)(图2c)，系统可在16小时内完成放热(图2d)。通过缩短储热模块的高度与底面直径的比列，还可以进一步降低系统的放热时间。
由上可知，基于现有石墨材料具有高热导率(5-200W/(m·K))和高比热容的性质，可将石墨作为储热材料应用于储能-发电系统中，以通过将石墨加热至超高温的方式提高储能系统的能量密度、充放热速率和输出功率，能实现电能的快速存储和释放。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超高温固态显热储热及热光伏发电系统，其特征在于，包括：
加热模块；
储能-辐射模块，自身高导热，用于接收加热模块的热量，以储能并对外发出红外辐射能量；
热电转换模块，用于接收所述储能-辐射模块能量并对外转化为电能；
冷却模块，用于冷却所述热电转换模块；以及
隔热模块，用于保持环境温度，所述加热模块、所述储能-辐射模块、所述热电转换模块及所述隔热模块安装于所述隔热模块上；
其中，当电能富余时所述加热模块接入电路，所述储能-辐射模块在通电条件下下升温至高温以储能；当电能不足时所述热电转换模块接收所述储能-辐射模块能量并对外转化为电能。
2.根据权利要求1所述的超高温固态显热储热及热光伏发电系统，其特征在于，所述隔热模块包括外壳体、内壳体、隔热插板，所述内壳体安装于所述外壳体内，所述隔热插板上开设有转换通孔，所述隔热插板滑动式的安装于所述内壳体上，所述加热模块、所述储能-辐射模块及所述热电转换模块安装于所述内壳体内，所述储能-辐射模块及所述热电转换模块间具有辐射换热通道；
其中，当电能富余时所述隔热插板滑动并关闭所述辐射换热通道，所述加热模块接入电路加热至高温，所述储能-辐射模块被加热升温并储能；当电能不足时所述隔热插板滑动，以借助所述转换通孔使所述所述辐射换热通道开启，所述热电转换模块接收所述储能-辐射模块能量并对外转化为电能。
3.根据权利要求1所述的超高温固态显热储热及热光伏发电系统，其特征在于，所述隔热模块还包括均热板，所述均热板安装于所述内壳体内，所述均热板相对位于所述储能-辐射模块的上方，且所述均热板背离所述储能-辐射模块的一面覆盖有选择性发射涂层。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超高温固态显热储热及热光伏发电系统，其特征在于，所述加热模块为加热电极。
5.根据权利要求1-3任一项所述的超高温固态显热储热及热光伏发电系统，其特征在于，所述储能-辐射模块由高导热材料制成。
6.根据权利要求5所述的超高温固态显热储热及热光伏发电系统，所述高导热材料为金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物或石墨及其复合材料中的一种或几种。
7.根据权利要求1-3任一项所述的超高温固态显热储热及热光伏发电系统，其特征在于，所述热电转换模块为热光伏。
8.根据权利要求1-3任一项所述的超高温固态显热储热及热光伏发电系统，其特征在于，所述冷却模块包括冷却板，所述冷却板内设有冷却腔，所述冷却腔与冷媒进管及冷媒出管连通，所述热电转换模块安装于所述冷却板上。
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