一种放热功率可调的高温固体显热蓄热供热装置及方法

本发明属于热能存储与换热设备，具体涉及一种以固体为显热蓄热介质、以辐射换热为主要放热机制、并通过可调节百叶窗式辐射调控组件实现放热功率主动调节的高温固体显热蓄热供热装置及方法。

背景技术：

1、随着“双碳”战略的深入推进以及新型电力系统的加快构建，电网对灵活性调节的需求日益迫切，“电-热”耦合储能技术成为消纳可再生能源、参与电网调峰调频以及替代化石燃料供热的重要技术路径。其中，高温显热蓄热技术因其储热密度较高、结构简单、成本低廉、安全性好、循环寿命长等优势，在谷电制热储热、清洁供暖、工业过程供热以及高温热电耦合等领域展现出广阔的应用前景。固体显热蓄热介质（如镁砖、氧化铝陶瓷、石墨等）相比于熔盐等液态介质，不存在相变、凝固、腐蚀等问题，可在更高温度区间（800℃以上）稳定运行，是实现高品位、高能量密度储热的优选方案。

2、然而，现有固体显热蓄热装置在实际应用中仍存在若干固有缺陷。首先，传统蓄热装置普遍采用嵌管式结构，即在蓄热体内部钻孔嵌入金属换热管，依靠蓄热体与金属管壁之间的接触导热完成放热。一方面，蓄热体与金属管之间在装配过程中不可避免地存在装配间隙，且二者热膨胀系数存在差异，在高温热循环工况下会进一步加剧界面分离，造成显著的接触热阻，严重制约系统的换热性能；另一方面，金属换热管自身的耐温能力（通常不超过700～800℃）也限制了蓄热体的最高工作温度，使得蓄热密度难以充分发挥，储能温度区间受到压缩。此外，蓄热体直接钻孔嵌管的工艺复杂、加工成本高，且管路在高温下易发生氧化、蠕变和疲劳失效，影响系统的长期运行可靠性。

3、其次，现有固体显热蓄热装置在放热过程中普遍存在功率衰减问题。由于显热蓄热介质的放热伴随着自身温度的持续下降，无论采用对流换热还是辐射换热，其放热功率均随蓄热体温度的降低而减小，尤其在以辐射为主导的高温区间，放热功率与温度的四次方成正比，温降导致的功率衰减更为剧烈。这使得整个放热周期内热输出功率呈显著下降趋势，难以匹配下游热用户对稳定供热功率的需求。现有技术多依靠调节换热工质流量或入口温度等方式进行功率补偿，调节范围有限、响应滞后，且无法从根本上改变蓄热体到换热壁面的热流密度。如何在源头上对辐射放热路径进行主动调控，实现放热功率在整个放热周期内的近恒定输出，是高温固体显热蓄热技术亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，针对现有固体显热蓄热技术中存在的工作温度受限、接触热阻制约换热性能、以及放热功率随温降持续衰减且调节能力不足等问题，并提供一种放热功率可调的高温固体显热蓄热供热装置及方法。本发明以辐射换热取代传统的嵌管对流/接触导热作为放热主路径，消除了接触热阻对系统放热性能的制约；同时通过在辐射路径中设置辐射调控组件，实现对放热功率的连续主动调节，有效补偿系统放热过程中因蓄热体温降而导致的功率衰减问题，从而在整个放热周期内获得相对稳定、可控的热输出。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种放热功率可调的高温固体显热蓄热供热装置，包括固体蓄热模块、电阻加热组件、辐射调控组件和密封壳体；

4、所述固体蓄热模块包括至少两个蓄热体，相邻蓄热体之间具有中间间隙，中间间隙处设有电阻加热组件；所述辐射调控组件为无底的盒式框架结构，罩设于固体蓄热模块外围，侧面周向均为可调节叶片转动幅度的百叶窗式辐射调控叶片，顶部为用于安装电阻加热组件的反射板；所述密封壳体密封套设于辐射调控组件外部，两者之间具有间隔；密封壳体上设有气体充填接口和安全泄压阀，侧壁周向设有换热流道组件，所述气体充填接口与用于向壳体内腔填充惰性保护气体的惰性气体密封系统连接；所述密封壳体的外部包覆有保温层。

5、作为优选，所述固体蓄热模块位于密封壳体内部中央区域；所述蓄热体为长方体结构，工作温度范围为800～1500℃，表面发射率不低于0.8，底部设有隔热支撑件，隔热支撑件采用耐1800℃的低导热固体材料制成。

6、作为优选，所述电阻加热组件包括支撑部件、加热丝和陶瓷悬挂件；所述支撑部件为板状或管状结构，位于中间间隙内，顶部通过陶瓷悬挂件固定于反射板下表面，最高耐受温度高于2000℃；所述加热丝设置于支撑部件上，工作温度不低于1800℃。

7、作为优选，所述辐射调控组件包括四个侧面，每个侧面上均安装有一组辐射调控叶片；所述辐射调控叶片包括由上至下平行排列的若干子叶片，各子叶片被外接有角度驱动机构的转轴竖向贯穿为一个整体，可改变俯仰角，以调节开合角度。

8、进一步的，所述子叶片的表面辐射反射率不低于0.9，耐受温度不低于1800℃，开合角度调节范围为0°～90°。

9、作为优选，所述密封壳体的材质为310s耐热不锈钢或316/316l不锈钢，壁厚3～8mm；密封壳体的侧壁内壁面经表面发黑处理或涂覆高发射率耐高温涂层，辐射发射率不低于0.8。

10、作为优选，所述换热流道组件布置于密封壳体的四个侧面外壁上，呈环周分布；换热流道组件包括内层壁板、外层壁板以及形成于内层壁板和外层壁板之间的流道空间，换热工质在流道空间内流动并通过对流换热吸收内层壁板传递的热量；所述换热工质的工作温度范围为50~400℃。

11、作为优选，所述内层壁板与外层壁板间距为5～20mm，流道空间内采用的流道形式为平行板间流道、吹胀式枕板型流道、设有导流隔板的流道中的一种。

12、作为优选，所述保温层直接包覆于密封壳体的顶部和底部外壁以及换热流道组件的外侧，保温层厚度为50～100mm。

13、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一项所述放热功率可调的高温固体显热蓄热供热装置的蓄热放热方法，具体如下：

14、充热阶段，电阻加热组件中的加热丝通电发热并以辐射换热方式加热蓄热体至预设温度；此时，辐射调控组件侧面周向的辐射调控叶片全部关闭，以减少热损失；

15、放热阶段，蓄热体以辐射方式通过侧面周向的辐射调控叶片向密封壳体的侧壁内壁面传递热量，顶部反射板反射辐射以避免向顶部内壁的热损失，密封壳体外侧换热流道组件中的换热工质通过对流换热吸收热量；

16、调功率阶段，根据蓄热体的实时温度或换热工质出口温度反馈信号，通过调节辐射调控叶片的开合角度，实现放热功率的主动调节，具体如下：

17、放热过程中，当蓄热体温度较高时，辐射调控叶片的开合角度较小，大部分辐射热量被辐射调控叶片表面反射回蓄热体；随着蓄热体温度逐渐降低，辐射调控叶片开合角度逐渐增大，使通过辐射调控叶片到达密封壳体的侧壁内壁面的有效辐射通量逐渐增大，从而补偿因温度下降导致的辐射功率衰减。

18、相对于现有技术而言，本发明通过系统的结构创新与换热机制变革，具有以下有益效果：

19、1）通过百叶窗式辐射调控叶片的角度调节，可在0%～100%范围内连续调节辐射通过率，实现放热功率的精细化主动控制。

20、2）本发明以辐射换热取代传统嵌管接触导热作为储热体与外部换热的主路径，从根本上消除了蓄热体与金属管之间因装配间隙、热膨胀失配等造成的接触热阻问题，充放热过程不再受界面热阻制约。

21、3）密封壳体内无运动部件直接接触蓄热体，减少了高温磨损与材料疲劳风险，系统结构紧凑、可靠性高。