专利名称：一种太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块的制备方法
技术领域：
本发明涉及储热材料模块，特别是涉及一种太阳能热发电用混凝土材料预制储热 模块的制备方法。
背景技术：
用于太阳能发电中的储热材料应满足如下要求储热材料应有高的能量密度；储 热材料与热交换液体应有良好的热传导；储热材料应有良好的化学和力学稳定性；储热材 料与热交换器及热交换液体之间有良好的化学相容性；在储热及放热循环过程中应完全可 逆；低成本。储热方案设计是太阳能蒸汽发电中的重要技术，储热材料的性能及成本是决 定大型太阳能电厂的建设费用及运行成本的主要因素之一。目前储热的方式主要有显热储 热，相变储热及化学反应储热。而在目前技术中最成熟且具有商业可行的储热方式是显热 储热。显热储热又分为液体显热和固体显热。目前用作太阳能蒸汽发电中的液体储热材料主要有熔盐(KN03、NaN03或两者的 混合物)。文献 1 (Kakiuchi ；Hiroyuki ；Oka ；Masahiro, US patent (No. 5567346))报道了 日本学者的美国专利，其中以硫酸钠，氯化铵，溴化钠以及硫酸铵为主要原料组成的储热材 料。文献2 (Ross ；Randy，US patent (No. 5685151))的专利则报道了用于太阳能储热材料， 主要的成分是氯化钠。但熔盐存在着一个非常明显的缺陷是其较强的腐蚀性，对热交换管 道及其它附属设施具有非常强的腐蚀行为，由此增加了电厂的运行成本，亦降低了系统安 全稳定性能。固体储热材料由于具有性能稳定、成本低、储热能力强等诸多优点，是用于太 阳能蒸汽发电的理想候选储热材料之一。文献3(肖立川，混凝土蓄热器在太阳能电站中 的应用，江苏化工学院学报，1991，3(1) 17-23)报告了通过理论计算，证明了混凝土储热 材料在太阳能电站中的可行性。文献4(Doerte Laing, Wolf-Dieter Steinmann, Rainer Tamme, Christoph Richter. Solidmedia thermal storage for parabolic trough power plants, Solar Energy, 2006,80 (10) 1283-1289)禾口文献 5 (Rainer Tamme, Doerte Laing, Wolf-Deter Steinmann, Advanced thermal energy storagetechnology for parabolic trough, Journal of solar energy engineering，2004，126 :794_800)在研究砂石t昆？疑 土和玄武岩混凝土的基础上，研究开发耐热混凝土和铸造陶瓷等固体储热材料，耐高温 混凝土的骨料主要是氧化铁，水泥为黏结剂；铸造陶瓷骨料也主要是氧化铁，黏结剂包括 氧化招等。文献 6(Ulf herrmann，David Wearney. Survey of thermal energy storage forparabolic trough power plants[J], Journal of solar energy engineering,2002, 124 145-152)比较比较了几种储热材料的发电成本，认为混凝土材料的成本也是最低的。实际上，太阳能热发电储热材料不仅需要优异的综合性能，而且需要低成本，很多 情况下运输成本和制作成本也很重要，文献4中德国航空航天中心(DLR)所采用的原料是 氧化铝和氧化铁，其原料相对价格比较高，而且是采用现场浇注方式，在小规模的在实验环 节中是可行的，但将来工业化生产时，往往选择在太阳光日照时间长，辐射强度大的沙漠地 区，因此在很多情况下，要想采用现场浇注的情况不太现实，不仅是沙漠地区缺水，而且没有交通电力配套设施，其后的养护成本也是非常巨大的。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能热发电用预制储热材料模块的制备方法，以便从 储热材料的选用来看，采用热容大、热导率较高、热稳定较好的工业废渣作为集料，既解决 了工业废渣的环境污染，又使改性混凝土的体积热容及热导率得到明显提高；从工艺上来 看，不仅成本低，操作方便，可以先在室内预制浇注完成，然后运到现场后组装，更为重要的 是能够保证质量。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的太阳能热发电用预制储热材料模块，其结构是由两个结构相同的 储热混凝土块组成，每个储热混凝土块的内部包含有换热管，换热管的外壁具有多个均勻 分布的换热不锈钢肋片，每个储热混凝土设有多个贯通的凹形接槽；组装时，两个储热混凝 土块的凹形接槽通过连接杆插入后连为一体。本发明提供的上述太阳能热发电用预制储热材料模块，其制备方法是先将原料 干混均勻后，按其重量加入4 6 %的水，再混合均勻后置于装有换热管的钢制模具中，24 小时后脱模，在20 25°C温度下水中养护72小时后，在100 120°C温度下烘烤24小时 成型。所述原料及其重量含量为玄武岩骨料35 36 %，矿渣35 %，铝酸盐水泥6 9 %， 活性氧化铝粉4 %，硅微粉4 5 %，蓝晶石粉6 11 %，天然石墨粉4 5 %。本发明与现有技术相比具有以下主要的优点太阳能热发电用预制储热材料模块的制备，特别提供了一种以低成本的混凝土 材料为储热材料，不锈钢耐热管为导热材料的储热模块。该模块不仅施工简单，价格低 廉，运输方便而且性能稳定，安全可靠性高。该方法制备的储热材料模块的工作温度在 200-900 °C。本发明的创新之处在于首先从储热材料的选用来看，采用选用玄武岩及铜矿渣、 钢渣等热容大、热导率较高、热稳定较好的工业废渣作为集料，既解决了工业废渣的环境污 染又使改性储热混凝土的体积热容及热导率得到明显提高；从工艺上来看，可以在室内预 制浇注完成，在运到现场后组装即可，不仅成本低，操作方便，更为重要的是可以实现性能 的可控，工作使用期间如发现问题时，可以及时更换。
图1为储热混凝土模块的结构示意图。图2为带有肋片的换热管道的示意图。图中1.储热混凝土 ；2.连接杆；3.凹形接槽；4.换热管；5.换热不锈钢肋片。
具体实施例方式本发明提供的太阳能热发电用预制储热材料模块，其结构如图1、图2和图3所示 由两个结构相同的储热混凝土块1组成，每个储热混凝土块的内部包含有换热管2，换热管 2的外壁具有多个均勻分布的换热不锈钢肋片5，每个储热混凝土设有多个贯通的凹形接 槽3 ；组装时，两个储热混凝土块的凹形接槽3通过连接杆2插入后连为一体。
所述的储热混凝土块有多个，它们以并联的方式组成一个大的储热体。每个储热混凝土块的横截面形状为多边形，例如为长方形、正方形、正三角形或菱 形。每个储热混凝土块的横截面形状为圆形，或椭圆形。所述的换热管的外壁具有3个呈120度分布的换热不锈钢肋片。本发明提供的上述太阳能热发电用预制储热材料模块，其制备方法是先将原料 干混均勻后，按其重量加入4 6%的水，再混合均勻后置于装有换热管的钢制模具中，24 小时后脱模，在20 25°C温度下水中养护72小时后，在100 120°C温度下烘烤24小时 成型。所述原料及其重量含量为玄武岩骨料35 36%，矿渣35%，铝酸盐水泥6 9%， 活性氧化铝粉4 %，硅微粉4 5 %，蓝晶石粉6 11 %，天然石墨粉4 5 %。所述原料及其重量含量优选为玄武岩骨料35%，钢渣骨料35%，铝酸盐水泥 6 %，活性氧化铝粉4 %，硅微粉5 %，蓝晶石粉11 %，天然石墨粉4 %。所述原料及其重量含量优选为玄武岩骨料36 %，铜矿渣35 %，铝酸盐水泥9 %， 活性氧化铝粉5 %，硅微粉4 %，蓝晶石粉6 %，天然石墨粉5 %。本发明制备的储热混凝土块，其技术参数为密度2.9-3.2g/cm3，抗压强度 40-50MPa,抗折强度6-8MPa,体积热容120-145kffh/m3,热导率1. 5-2. 5ff/mK,耐火度 600-900°C，储热温度从 200-650°C。下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。实施例1 储热模块为长方体，其尺寸为长为1. 5mX0. 8mX0. 8m，换热管道为耐热不锈钢内 径为6mm，外径为12mm，排列方式为，每行4根，分3行排列，间距为10mm，储热混凝土的组 成为玄武岩骨料37 %，铜矿渣33 %，铝酸盐水泥8 %，活性氧化铝粉5 %，硅微粉5 %，蓝 晶石粉7%，天然石墨粉5%。原料经干混均勻后，加5%的水，混合均勻后置于装有换热管 道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后，在100-120°C温度 下烘烤24小时。储热材料的密度为2. 86g/cm3,混凝土材料的抗压强度60. 8MPa,抗折强度 10. 2MPa,综合热分析仪上测得体积热容125kWh/m3，热导率1. 88ff/mK,耐火度800°C。当 需要大体积储热混凝土材料时，如10个模块，可以通过并联的方式将若干个模块拼接在一 起，主要是靠模块的两端的凹槽部分由连接杆固定在一起，以热蒸汽为传热介质，环境温度 为30°C，通过经过50分钟后，测定出口温度和进口温度几乎相等，表明已达到换热的平衡。 经过1000小时后，发现每个换热模块形状完好，未发现模块中的储热材料有裂纹，模块中 管道和储热混凝土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象。实施例2 储热模块为长方体，其尺寸为长为1. 5mX0. 8mX0. 8m，换热管道为耐热不锈钢内 径为6mm，外径为12mm，排列方式为，每行4根，分3行排列，间距为10mm，玄武岩骨料35%， 钢渣骨料35 %，铝酸盐水泥6 %，活性氧化铝粉4 %，硅微粉5 %，蓝晶石粉11 %，天然石墨粉 4%。原料经配料干混均勻后，加5. 5%的水，混合均勻后置于装有换热管道的钢模模具中， 24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后，在100-120°C温度下烘烤24小时。 储热材料的密度为2. 96g/cm3,材料的抗压强度70. 2MPa,抗折强度o b = 11. 5MPa,体积热 容128kWh/m3，热导率1. 82ff/mK,耐火度900°C。当需要大体积储热混凝土材料时，如15个模块，可以通过并联的方式将若干个模块拼接在一起，主要是靠模块的两端的凹槽部分由 连接杆固定在一起，以热蒸汽为传热介质，环境温度为2°C，通过经过140分钟后，测定出口 温度和进口温度几乎相等，表明已达到换热的平衡。经过1000小时后，发现每个换热模块 形状完好，未发现模块中的储热材料有裂纹，模块中管道和储热混凝土之间的结合完好，无 明显的脱落剥离现象。实施例3 储热模块为长方体，其尺寸为长为1. 6mX0. 85mX0. 85m，换热管道为耐热不锈钢 内径为6mm，外径为12mm，排列方式为，每行4根，分3行排列，间距为10mm，储热混凝土的 组成为玄武岩骨料36 %，铜矿渣35 %，铝酸盐水泥9 %，活性氧化铝粉5 %，硅微粉4 %，蓝 晶石粉6%，天然石墨粉5%。原料经干混均勻后，加5%的水，混合均勻后置于装有换热管 道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后，在100-120°C温度 下烘烤24小时。储热材料的密度为2. 86g/cm3,混凝土材料的抗压强度62. 9MPa,抗折强度 11. 3MPa，综合热分析仪上测得体积热容130kWh/m3，热导率1. 95W/mK，耐火度800°C。当 需要大体积储热混凝土材料时，如18个模块，可以通过并联的方式将若干个模块拼接在一 起，主要是靠模块的两端的凹槽部分由连接杆固定在一起，以热蒸汽为传热介质，环境温度 为零下5°C，通过经过60分钟后，测定出口温度和进口温度几乎相等，表明已达到换热的平 衡。经过1000小时后，发现每个换热模块形状完好，未发现模块中的储热材料有裂纹，模块 中管道和储热混凝土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象。储热材料中没有发现明显 的结冰和腐蚀现象。实施例4:储热模块为长方体，其尺寸为长为1. 8mX0. 85mX0. 85m，换热管道为耐热不锈钢 内径为8mm，外径为15mm，排列方式为，每行4根，分3行排列，间距为10mm，储热混凝土的 组成为玄武岩骨料35 %，铜矿渣35 %，铝酸盐水泥10 %，活性氧化铝粉4 %，硅微粉4 %， 蓝晶石粉8%，天然石墨粉4%。原料经干混均勻后，加5%的水，混合均勻后置于装有换热 管道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后，在100-120°C温 度下烘烤24小时。储热材料的密度为2. 96g/cm3,混凝土材料的抗压强度65. 8MPa,抗折强 度12. 4MPa,综合热分析仪上测得体积热容138kWh/m3，热导率2. Olff/mK,耐火度800°C。当 需要大体积储热混凝土材料时，如20个模块，可以通过并联的方式将若干个模块拼接在一 起，主要是靠模块的两端的凹槽部分由连接杆固定在一起，以热蒸汽为传热介质，环境温度 为零下5°C，通过经过45分钟后，测定出口温度和进口温度几乎相等，表明已达到换热的平 衡。经过1000小时后，发现每个换热模块形状完好，未发现模块中的储热材料有裂纹，模块 中管道和储热混凝土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象。储热材料中没有发现明显 的结冰和腐蚀现象。实施例5 储热模块为长方体，其尺寸为长为1. 7mX0. 9mX0. 9m，换热管道为耐热不锈钢内 径为8mm，外径为15mm，排列方式为，每行4根，分4行排列，间距为10mm，储热混凝土的组 成为玄武岩骨料36 %，铜矿渣35 %，铝酸盐水泥7 %，活性氧化铝粉5 %，硅微粉4 %，蓝 晶石粉8%，天然石墨粉5%。原料经干混均勻后，加5%的水，混合均勻后置于装有换热管 道的钢模模具中，24小时后脱模，在20-25°C温度下水中养护72小时后，在100-120°C温度下烘烤24小时。储热材料的密度为2. 88g/cm3,混凝土材料的抗压强度62. 4MPa,抗折强度 11. 6MPa,综合热分析仪上测得体积热容140kWh/m3，热导率1. 96ff/mK,耐火度800°C。当 需要大体积储热混凝土材料时，如30个模块，可以通过并联的方式将若干个模块拼接在一 起，主要是靠模块的两端的凹槽部分由连接杆固定在一起，以热蒸汽为传热介质，环境温度 为10°C，通过经过30分钟后，测定出口温度和进口温度几乎相等，表明已达到换热的平衡。 经过1000小时后，发现每个换热模块形状完好，未发现模块中的储热材料有裂纹，模块中 管道和储热混凝土之间的结合完好，无明显的脱落剥离现象。储热材料中没有发现明显的 结冰和腐蚀现象。
权利要求
一种太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块，其特征在于该模块由两个结构相同的储热混凝土块组成，每个储热混凝土块的内部包含有换热管，换热管的外壁具有多个均匀分布的换热不锈钢肋片，每个储热混凝土设有多个贯通的凹形接槽；组装时，两个储热混凝土块的凹形接槽通过连接杆插入后连为一体。
2.根据权利要求1所述的太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块，其特征在于该 模块有多个，它们以并联的方式组成一个大的储热体。
3.根据权利要求1所述的太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块，其特征在于每 个储热混凝土块的横截面形状为多边形。
4.根据权利要求3所述的太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块，其特征在于所 述多边形为长方形、正方形、正三角形或菱形。
5.根据权利要求1所述的太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块，其特征在于每 个的横截面形状为圆形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块，其特征在于换 热管的外壁具有3个呈120度分布的换热不锈钢肋片。
7.一种太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块的制备方法，其特征是采用以下方法 制备权利要求1至5中任一权利要求所述的储热混凝土块先将原料干混均勻后，按其重量 加入4 6%的水，再混合均勻后置于装有换热管道的钢制模具中，24小时后脱模，在20 25°C温度下水中养护72小时后，在100 120°C温度下烘烤24小时；所述原料及其重量含量为玄武岩骨料35 36 %，矿渣35 %，铝酸盐水泥6 9 %，活 性氧化铝粉4%，硅微粉4 5%，蓝晶石粉6 11 %，天然石墨粉4 5%。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述原料及其重量含量为玄武岩骨料35%，钢渣骨料35 %，铝酸盐水泥6 %，活性氧化铝粉4 %，硅微粉5 %，蓝晶石粉11 %，天然 石墨粉4%。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述原料及其重量含量为玄武岩骨料36%，铜矿渣35 %，铝酸盐水泥9 %，活性氧化铝粉5 %，硅微粉4 %，蓝晶石粉6 %，天然石墨 粉5%。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是所述储热混凝土块的技术参数为密 度2. 9-3. 2g/cm3,抗压强度40_50MPa，抗折强度6_8MPa，体积热容120_145kWh/m3，热导率 1. 5-2. 5ff/mK,耐火度 600-900°C，储热温度从 200_650°C。
全文摘要
本发明太阳能热发电用混凝土材料预制储热模块是由两个结构相同的储热混凝土块组成，每个储热混凝土块的内部包含有换热管，换热管的外壁具有多个均匀分布的换热不锈钢肋片，每个储热混凝土设有多个贯通的凹形接槽；组装时，两个储热混凝土块的凹形接槽通过连接杆插入后连为一体。本发明制备方法是先将原料干混均匀后，按其重量加入4～6％的水，再混合均匀后置于装有换热管的钢制模具中，24小时后脱模，在20～25℃温度下水中养护72小时后，经烘干成型；所述原料为玄武岩骨料、矿渣、铝酸盐水泥、活性氧化铝粉、硅微粉、蓝晶石粉和天然石墨粉。本发明具有施工简单、成本低、运输方便和性能稳定等优点。
文档编号C04B14/04GK101876487SQ200910272708
公开日2010年11月3日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者周卫兵, 朱教群, 童雨舟, 郭成州, 黎锦清 申请人:武汉理工大学