一种聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统

1.本发明专利涉及一种聚光式太阳能跨季节采暖与热水系统,尤其涉及一种集成沙子高温储热功能的聚光式太阳能跨季节采暖与热水系统。


背景技术：

2.目前中国建筑能耗约占社会总能耗的30-40％，并且预计会继续增加，其中主要使用化石燃料和电力的供暖是建筑冬季能源消耗的重要组成部分。为了减缓气候变化，减少化石燃料的使用，可再生能源技术在近年来迅速发展，但其中许多技术都存在间歇性、不可预测性等调度问题。因此，大型可再生能源技术的应用与能源存储以提高其可调度性密切相关。
3.就热能而言，最常用的技术之一是显热储能，包括固体材料蓄热和填充床蓄热，其开发和研究都旨在找到合适的存储材料和高效的系统，其中存储材料本身的价格是投资成本的主要部分。在固体颗粒中储存热量是一种常用的热能存储方法，它允许存储和分配从环境温度到超过1000℃的热能。目前常见的存储材料有熔盐、相变材料等。熔盐具有较高的冻结温度，且高温易分解，无法实现很高温度地储热；相变材料虽有较高的储热密度，能够在较窄范围内交换热量，但其成本高，不适合应用于大型热能存储系统中。而沙子成本低、熔点高、热容量值良好，可实现高温储热且易获得，可从当地的自然资源中获取，从而可消除这部分进口材料的成本，且几乎无需预处理。利用沙子高温储热的特点，提出一种聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统，可通过沙子作为储热介质将太阳能存储使用。
4.经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号为201821498926.8，实用新型名称为：沙子蓄热填冲床，该技术公开了一种沙子蓄热填冲床，利用谷电给沙子蓄热，在用电高峰放热用以冬季采暖。该装置内部设有填充了沙子的密闭腔体，腔体内均匀设有多根耐高温无缝钢管，钢管内设有加热管，加热管中的电热丝两端与电源相连，用电低峰打开电源，给沙床蓄热，用电高峰时沙子与腔体内均匀设置的导热油换热管中的导热油换热，将热量释放出来用以建筑冬季采暖。但是该装置结构复杂，需要外部电能供给蓄热，没有直接利用太阳能等可再生能源，应用场景有限。可以看出，以上利用谷电蓄热的沙子蓄热填冲床，虽然能够降低费用，减少使用成本，但是存在结构复杂，电力蓄热能耗高，不够节能等问题。本发明提出的聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统，可将夏季收集的太阳能存储在沙子中，在非采暖季用于供给建筑热水，然后在采暖季将这些能量通过换热器释放，用于建筑采暖，其结构简单，易于安装，不需要外部能量供给，能够实现较大程度的建筑节能。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，提供一种聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统，非采暖季收集太阳能并存储在沙子中，部分用于供给建筑热水；在采暖季将这些
能量通过换热器释放，实现建筑采暖的目的。
6.本发明通过以下技术方案实现，本发明涉及一种聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统，其包括：低温储沙罐、冬季高温储沙罐、夏季高温储沙罐、第一换热器及其管路系统、第二换热器及其管路系统、沙子加热器和塔式定日镜。
7.所述的低温储沙罐下方呈漏斗型，置于所述的冬季高温储沙罐的上方，且两者通过所述的沙子加热器相接；所述的冬季高温储沙罐下方呈漏斗型，置于所述的夏季高温储沙罐的上方，且两者通过管道相接，其外侧均设有具有低导热率的绝热保温层，如聚氨酯、玻璃棉、橡塑等，且管道处设有阀门；所述的冬季高温储沙罐和夏季高温储沙罐分别与变频沙泵之间通过管路连接，且变频沙泵与所述的低温储沙罐之间由管路连接构成循环回路。
8.所述的第一换热器及其管路系统包括第一换热器、循环管路、第一导热油换热管，用于沙子和导热油、导热油和水之间的换热；其设有导热油端和水端，导热油端中的导热油通过循环泵和循环管路在第一导热油换热管处与冬季高温储沙罐内腔中的沙子进行换热并构成循环回路，水端通过循环泵和循环管路与建筑采暖设备连接并构成循环回路。
9.所述的第二换热器及其管路系统包括第二换热器、循环管路、第二导热油换热管，用于沙子和导热油、导热油和水之间的换热；其设有导热油端和水端，导热油端中的导热油通过循环泵和循环管路在第二导热油换热管处与夏季高温储沙罐内腔中的沙子进行换热并构成循环回路，水端通过循环泵和循环管路与建筑热水管路连接并构成循环回路。
10.所述的塔式定日镜由跟踪控制器、机械支撑结构和反射镜构成，布置在所述高温储沙罐的四周，且其始终与太阳保持一个最佳角度，使其最大效率地收集太阳能，将太阳光线反射到所述的沙子加热器，可将沙子加热器中的沙子加热到800℃。
11.所述的沙子加热器位于所述的塔式定日镜的焦点处，且其靠近低温储沙罐处设有电动阀，靠近冬季高温储沙罐处设有温度传感器，使用温度传感器采集沙子加热的温度，通过引线连接所述的电动阀，并根据沙子温度利用电动阀控制沙子加热器中沙子流速，从而实现沙子温度的加热温度。
12.由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比具有以下优点：
13.1.本发明采用沙子作为储热材料，其具有成本低、熔点高、热容量值良好及易于搬运或运输等优点，允许存储和分配从环境温度到超过1000℃的热能，且与现常用的存储材料相比，沙子更易获得，可从当地的自然资源中获取，从而可消除这部分进口材料的成本，且几乎无需预处理，更加经济。
14.2.本发明采用塔式定日镜，其聚光比较高，可将太阳光线反射到沙子加热器，加热沙子至800℃以上的高温；高温可提高沙子储热密度，使得所需储热罐体积减小，降低成本且方便在建筑中应用。
15.3.本发明涉及的一种聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统可实现跨季节储能，其从3月初开始收集太阳能并存储在沙子中，采暖季开始前部分用于供给建筑热水，在采暖季将这些能量释放，用于建筑采暖；该系统跨季节储能特性可解决太阳能存在的间歇性、不可预测性等调度问题，且不需要外部能量供给，能够实现较大程度的建筑节能。
16.4.在结构设计上，本发明涉及的一种聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统设计灵活，结构简单，易于安装，运行状态稳定且效率高。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图。
18.图例说明
19.1、低温储沙罐
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2、绝热保温层
20.3、冬季高温储沙罐
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4、第一导热油换热管
21.5、绝热保温层
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6、夏季高温储沙罐
22.7、第二导热油换热管
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8、第一换热器
23.9、第二换热器
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10、塔式定日镜
24.11、沙子加热器
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12、13、14、15、循环泵
25.16、变频沙泵
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17、18、19、电动阀
26.20、21、22、23、24、25、26、27、28、阀门
27.29、30、31、温度传感器
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32、超声波传感器
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。
29.如图1所示，本发明的一种聚光式太阳能跨季节沙子高温储热采暖与热水系统包括低温储沙罐1、冬季高温储沙罐3、夏季高温储沙罐6、沙子加热器11、塔式定日镜10、第一导热油换热管4、第二导热油换热管7、第一换热器8和第二换热器9。
30.所述的低温储沙罐1下方呈漏斗型，置于所述的冬季高温储沙罐3的上方，且两者通过所述的沙子加热器11相接；所述的沙子加热器11上靠近低温储沙罐1处设有电动阀17，靠近冬季高温储沙罐3处设有温度传感器29。所述的冬季高温储沙罐3下方呈漏斗型，置于所述的夏季高温储沙罐6的上方，且两者通过管道相接，且管道上设有阀门28。所述的冬季高温储沙罐3和夏季高温储沙罐6分别与变频沙泵16之间通过管路连接，且所述的变频沙泵16与所述的低温储沙罐1之间由管路连接构成循环回路；所述的冬季高温储沙罐3与所述的变频沙泵16之间的管路上设有阀门26，所述的夏季高温储沙罐6与所述的变频沙泵16之间的管路上设有阀门27。
31.所述的冬季高温储沙罐3内置有所述的第一导热油换热管4，其导热油输出端与所述的第一换热器8的导热油输入端通过循环泵14和管路连接，其导热油输入端与所述的第一换热器8的导热油输出端通过管路连接；所述的循环泵14与所述的第一换热器8之间的管路上设有阀门21，所述的第一换热器8与所述的第一导热油换热管4之间的管路上设有阀门20。所述的第一换热器8的水输出端与建筑采暖设备的水输入端通过温度传感器30和管路连接，其水输入端与所述的建筑采暖设备的水输出端通过循环泵12和管路连接；所述的温度传感器30与所述的第一换热器8之间的管路上设有阀门22，所述的循环泵12与所述的第一换热器8之间的管路上设有电动阀18。
32.所述的夏季高温储沙罐6内置有所述的第二导热油换热管7，其导热油输出端与所述的第二换热器9的导热油输入端通过循环泵15和管路连接，其导热油输入端与所述的第二换热器9的导热油输出端通过管路连接；所述的循环泵15与所述的第二换热器9之间的管路上设有阀门24，所述的第二换热器9与所述的第二导热油换热管7之间的管路上设有阀门23。所述的第二换热器9的水输出端与建筑热水管路的水输入端通过温度传感器31和管路
连接，其水输入端与所述的建筑热水管路的水输出端通过循环泵13和管路连接；所述的温度传感器31与所述的第二换热器9之间的管路上设有阀门25，所述的循环泵13与所述的第二换热器9之间的管路上设有电动阀19。
33.所述的夏季高温储沙罐6顶部设置有超声波传感器32。
34.其工作原理为：如图1所示，从每年3月初开始，在沙子全部输送至低温储沙罐1后，开启电动阀17、阀门28，其余电动阀和阀门关闭；塔式定日镜10将太阳光线反射到沙子加热器11中，从低温储沙罐1中流出的200℃沙子被迅速加热至800℃，经过冬季高温储沙罐3存储于夏季高温储沙罐6中，直至夏季高温储沙罐6顶部设置的超声波传感器32采集到其内腔已装满沙子后，开启阀门23、24，控制系统开启循环泵15，使第二导热油换热管7中的导热油与存储于夏季高温储沙罐6内腔的沙子充分换热；开启电动阀19、阀门25，控制系统开启循环泵13，导热油和水在第二换热器9中进行换热，加热水至其输送温度，将热水输送至建筑热水管路中，用以供给建筑热水。根据水回路端设置的温度传感器31采集水输送温度，并利用回路中的电动阀19控制水流速，若水温过低于所需的加热温度，则开启阀门27，利用变频沙泵16将夏季高温储沙罐6中的沙子输送至低温储沙罐1中，如此循环使用，直至采暖季结束使用。
35.在采暖季，关闭阀门28、23、24、25以及电动阀17、19，开启阀门20、21，控制系统开启循环泵14，将第一导热油换热管4中的导热油与存储于冬季高温储沙罐4内腔的沙子充分换热；开启电动阀18、阀门22，控制系统开启循环泵12，导热油和水在第一换热器8中进行换热，加热水至其输送温度，将其输送至建筑采暖设备中，用以建筑供暖。根据水回路端设置的温度传感器30采集水输送温度，并利用回路中的电动阀18控制水流速，从而实现水温的加热温度。
36.至次年3月采暖季结束后，开启阀门26、27，其余阀门和电动阀关闭，控制系统开启变频沙泵16，将冬季高温储沙罐3和夏季高温储沙罐6中的沙子全部输送至低温储沙罐1中。
37.当温度传感器29测得冬季高温储沙罐3入口温度低于800℃时，电动阀17控制缩小沙子在沙子加热器11中的流速，增加沙子与太阳辐射换热时间，从而现沙子温度的加热温度。