专利名称：太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种塔式太阳能热发电用空气吸热器。
背景技术：
经济的发展离不开能源支持，能源问题和环境问题是决定21世纪人类发展前景的一个重大问题。我国近年来积极倡导对包括风能、太阳能等可再生新能源的开发利用，太阳能热发电具有清洁高效、稳定可靠等特点，随着技术进步和产业体系的完善，将会逐步提高其技术和经济优势，成为太阳能利用的重要方式。太阳能塔式热发电是通过多台跟踪太阳运动的定日镜将太阳辐射反射至放置于塔上的吸热器中获得高温传热介质，高温传热流体直接或间接通过热力循环的发电系统，主要包括定日镜、太阳塔、吸热器、储热器和发电机组等。吸热器是塔式系统光热转换的关键核心部件，其性能直接影响整个系统的效率。根据吸热器内传热介质的不同，目前世界上运行和在研的塔式电站主要包括水/蒸汽、熔融盐和空气三种，其中，以空气作为太阳能塔式热发电系统的吸热与传热介质有以下优点:运行温度高，易于运行和维护，启动快，无须附加的保温和冷启动加热系统等，是未来塔式热发电站高效率化发展的一个重要方向。高温容积式空气吸热器运行时，由于太阳能聚光能流密度高并具有不均匀性和不稳定性，造成的吸热体材料热应力破坏、空气流动稳定性差以及可靠性不高是制约空气吸热器发展的主要瓶颈。颗粒型空气吸热器是空气吸热器发展的新的方向，与早期空气吸热器相比，颗粒型空气吸热器有其自身独特的优势:1)固体颗粒能有效缓解吸热器受热不均的问题，从而减少吸热器局部过热现象并提高吸热器效率；2)固体颗粒可以作为储热介质，不需要额外的储热系统。颗粒型空气吸热器有望提高现有吸热器性能，推动太阳能热发电技术的发展，因而获得世界各国研究者的广泛关注。美国专利US58881035公布了采用带有颗粒以压缩空气为传热流体的吸 热器，其温度可被加热至800°C，该吸热器无法应用到更高的温度，且其中间过程热量损失较大。美国专利US5510109103公布的固体颗粒吸热器最高工作温度为900°C，由于采用复杂结构以提高吸热器效率，可靠性不高。美国专利US31009732公布了一种固体颗粒吸热器系统，被加热的固体颗粒-空气混合物经固体颗粒分离、换热后固体颗粒和空气循环利用，气固混合物温度在500-860°C，但吸热器结构复杂，效率不高。中国专利CN112136335A提出了一种基于石英管束的固体颗粒空气吸热器，由于采用石英管结构，石英管束间流量分配和受热不均等问题难以解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器，以克服现有太阳能热发电站中空气吸热器由于太阳能聚光能流密度高且具有不均匀性和不稳定性，造成吸热体材料热应力破坏、流动稳定性差以及可靠性不高的缺点。本发明内循环式固体颗粒空气吸热器由吸热器腔体、进气导管、固体颗粒、透光窗口、空气进口、空气出口等组成。所述的吸热器腔体为圆筒形或方形，内部存放有固体颗粒。吸热器腔体采用耐高温材料如陶瓷或耐热合金钢或石英玻璃制作，进气导管采用耐高温材料如陶瓷或耐热合金钢制作，透光窗口采用高透光率和耐高温的石英玻璃制作。所述的固体颗粒为吸热体，空气为传热流体，利用固体颗粒的耐高温和高辐射吸收率特性实现高效吸热，通过使颗粒流化起来以实现空气与固体颗粒间高效换热。进气导管固定在吸热器腔体内，进气导管的轴向方向上开有若干个开孔，冷空气从吸热器的空气进口流入进气导管内，并从进气导管上的开孔流出至吸热器腔体内，使固体颗粒在吸热器腔体内循环流动起来。进气导管一端密封，另一端作为空气进口，空气进口位于吸热器腔体的底部或侧面或顶部。空气出口位于吸热器腔体顶部。透光窗口为吸热器腔体的一部分，位于吸热器腔体面对聚光辐射能流投射的一侧。透光窗口通常由石英玻璃制成，用于将聚光辐射能流透射至吸热器内部。吸热器工作在高温环境，吸热器除透光窗口外的部分均包覆有耐高温保温层，以减少热量的散失。吸热器未工作时固体颗粒自由堆积在吸热器腔体内；吸热器工作时，冷空气从空气进口流入进气导管，并从进气导管上的开孔流出至吸热器腔体内，在空气压力的作用下，堆积于吸热器腔体内的固体颗粒被吹起，使固体颗粒在吸热器腔体内循环流动起来，并吸收自透光窗口透射的聚光辐射能流，空气的浮升力和固体颗粒的重力作用使得吸热器腔体内的固体颗粒充分碰撞并与空气充分接触，实现冷空气与固体颗粒间的高效对流换热变为热空气，热空气从空气出口流出。本发明选择碳化硅、氮化硅、石墨、炭黑等耐高温材料作为固体颗粒，可在1200°C及更高温度范围内使用，确保了本发明的空气吸热器可用于较高的温度。碳化硅、氮化硅、石墨等固体颗粒的导热系·数高，且具有很高的辐射吸收率，通过设计颗粒的形状和大小，可以最大限度吸收投入的太阳辐射能。固体颗粒群具有较大的比表面积，确保了换热过程中空气与吸热体间可获得较高的传热效率。由于进气导管、吸热器壁面、透光窗口一直受聚光辐射能流的加热，冷空气进入吸热器内后与进气导管、吸热器壁面、透光窗口间也发生对流换热，起到了对进气导管、吸热器壁面、透光窗口的冷却作用，可在一定程度避免这些部件的过热破坏。固体颗粒间的碰撞以及固体颗粒与吸热器内壁面间的碰撞，有利于吸热器内的温度均匀，避免了吸热器内局部区域颗粒群的过热结焦，有效消除了容积式吸热器内吸热体材料局部“热斑”影响，可提高吸热器的安全性，延长使用寿命。流动的固体颗粒具有储热功能，可以在一定时间内避免空气温度的较大波动。本发明结构简单，可靠性高，吸热器内流动状态稳定可控。按需求设计固体颗粒的形状和大小，加之调整空气入口流量，可实现对投入的聚光福射能流的闻效吸收和闻效加热空气，获得700°C -1300°C、常压或IMPa以上压力的高温空气。
图1本发明内循环式固体颗粒空气吸热器示意图；图2本发明内循环式固体颗粒空气吸热器进气导管示意图；图3本发明内循环式固体颗粒空气吸热器进气导管空气流向示意图；图4本发明内循环式固体颗粒空气吸热器俯视图；图5本发明内循环式固体颗粒空气吸热器顶部进气示意图；图6本发明内循环式固体颗粒空气吸热器侧面进气示意图。图中:I吸热器腔体、2固体颗粒、3进气导管、4开孔、5底座、6空气进口、7冷空气、8聚光辐射能流、9透光窗口、10空气出口、11热空气。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。图1所示为本发明内循环式固体颗粒空气吸热器。该吸热器由吸热器腔体1、固体颗粒2、进气导管3、空气进口 6、透光窗口 9，以及空气出口 10组成。吸热器腔体I为圆筒形或方形，由耐高温材料制成。底座5为吸热器腔体I的一部分，位于吸热器腔体I的底部，与吸热器腔体I密封连接，由耐高温材料制成。进气导管3固定在吸热器腔体I内。进气导管3 —端密封，另一端作为空气进口 6。透光窗口 9为吸热器腔体I的一部分，位于吸热器腔体I面对聚光辐射能流8投射的一侧。透光窗口 9通常由石英玻璃制成，用于将聚光辐射能流8透射至吸热器腔体I内部。透光窗口 9与吸热器腔体I密封连接，以保证吸热器腔体I可以承受一定的压力，并防止固体颗粒2及空气从吸热器腔体I中流出。透光窗口 9的形状、大小和厚度受投入的聚光辐射能流8的特性决定，其原则是使投入至透光窗口 9上的聚光辐射能流8均尽可能多地被固体颗粒2吸收。固体颗粒2在吸热器未工作时自由堆积在吸热器腔体I内。固体颗粒2具有较高的辐射吸收率，可在1200°C以上温度长期使用，固体颗粒2为球形、椭球形或其他形状，其大小可以相同也可以不同，其形状、直径和密度等参数由流入吸热器腔体I内的冷空气7的速度、压力，以及聚光辐射能流8的大小和分布决定，其原则是实现固体颗粒2与冷空气7充分换热并保持有规律的流动状态，固体颗粒2的材料可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。空气进口 6位于吸热器腔体I的底部或侧面或顶部，其形状可以为圆形、方形或其它形状，其设计原则是保证冷空气7能顺利进入吸热器腔体I内；当空气进口 6位于吸热器腔体I底部时，进气导管3穿过底座5固定在吸热器腔体I内，与底座5密封连接。空气出口 10位于吸热器腔体I的顶部。空气出口10形状可以为圆形、方形或其它形状，其设计原则是保证热空气11能顺利流出吸热器腔体I外。进气导管3的轴向方向上开有若干个开孔4，冷空气7从空气进口 6流入进气导管3内，并从进气导管3上的开孔4流出至吸热器腔体I内，使固体颗粒2在吸热器腔体I内循环流动起来。
吸热器工作时，冷空气7从空气进口 6流入进气导管3内，并从进气导管3上的开孔4流出至吸热器腔体I内，靠近开孔4的固体颗粒2受冷空气7的作用将沿吸热器腔体I壁面往上运动，至一定高度后沿透光窗口 9和吸热器腔体I壁面下落，固体颗粒2下落至吸热器腔体I底部后又被来自空气进口 6的冷空气7吹起，从而使固体颗粒2在吸热器腔体I内循环流动起来。由于受到空气的浮升力、固体颗粒2自身重力及固体颗粒2的碰撞力等作用，固体颗粒2在吸热器腔体I内始终保持运动状态。经太阳能聚光场提供的聚光辐射能流8投射至透光窗口 9的外表面，聚光辐射能流8的绝大部分辐射能透过透光窗口9至吸热器内随空气流动的固体颗粒2上。固体颗粒2具有较高的吸收率，聚光辐射能流8被固体颗粒2吸收并转化为固体颗粒2的热能,少部分聚光福射能流8被透光窗口 9、进气导管3、和吸热器腔体I壁面吸收。被加热的固体颗粒2、透光窗口 9、进气导管3和吸热器腔体I壁面与来自空气进口 6的冷空气7进行对流换热，冷空气7被加热为热空气11后从空气出口 10流出，实现了太阳能到空气热能的转换。图2所示为进气导管3示意图，进气导管3可以为圆管或方管，也可以为直管或弯管，由耐高温材料制成，一端密封，另一端作为空气进口 6。冷空气7从空气进口 6流入进气导管3中，并从进气导管3上的开孔4流出，如图3所示。开孔4位于进气导管3的轴向方向的半个壁面上。进气导管3的形状、数量和分布由吸热器的设计功率决定，为一个或多个，当进气导管3的数量多于一个时，其分布形式可以为沿壁面直线排列或圆周排列；进气导管3的大小需保证其能顺利放入吸热器腔体I内。开孔4的形状可以为方形、圆形或其他形状，也可以在开孔4上安装支管用以导流，开孔4的大小需保证开孔4能开在进气导管3的壁面上，开孔4的数量和分布由吸热器的规格和制作工艺决定，其原则是保证固体颗粒2在吸热器腔体I内循环流动起来并均匀受热，提高吸热器效率。图4所示为本发明吸热器俯视图，进气导管3上有开孔4的半个壁面朝向吸热器腔体I的内壁面，另一半壁面朝向透光窗口 9，即:处于中心位置开孔4的外法线方向与聚光辐射能流8的方向一致；进气导管3的位置取决于吸热器腔体I内固体颗粒2的形状、大小、体积分数，冷空气7的速度、压力，以及吸热器设计所需流化状态。图5所示为本发明吸 热器采用顶部进气示意图，空气进口 6位于吸热器腔体I的顶部。吸热器结构和工作过程与图1中空气进口 6位于吸热器腔体I底部的吸热器结构和工作过程类似。进气导管3的底部可以与底座5接触也可以不接触，取决于吸热器内固体颗粒2的形状、大小、体积分数，冷空气7的速度和吸热器设计流化状态。图6所示为本发明吸热器采用侧面进气示意图，空气进口 6位于吸热器腔体I的侧面，进气导管3与吸热器腔体I连接处密封。吸热器结构和工作过程与图1中空气进口6位于吸热器腔体I底部的吸热器结构和工作过程类似。进气导管3底部可以与底座5接触也可以不接触，取决于吸热器内固体颗粒2的形状、大小、体积分数、冷空气7的速度和吸热器设计流化状态。
权利要求
1.一种太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器，其特征在于，所述的吸热器由吸热器腔体(I)、固体颗粒(2)、进气导管(3)、空气进口(6)、透光窗口(9)和空气出口(10)组成；所述的透光窗口(9)位于吸热器腔体(I)面对聚光辐射能流(8)投射的一侧，透光窗口(9)与吸热器腔体(I)连接处密封；所述的固体颗粒(2)堆积在吸热器腔体(I)内；所述的进气导管(3)固定在吸热器腔体(I)内；所述的进气导管(3)在其轴向方向上开有开孔(4);所述的进气导管(3) —端密封，另一端作为空气进口(6);所述的空气出口(10)位于吸热器腔体(I)的顶部。
2.按照权利要求1所述的太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器，其特征在于所述的空气进口(6)位于吸热器腔体(I)的底部或侧面或顶部。
3.按照权利要求1所述的太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器，其特征在于所述的进气导管(3)为圆管或方管，直管或弯管；当进气导管(3)的数量多于一个时，所述的进气导管(3)沿吸热器腔体(I)壁面直线排列或圆周排列。
4.按照权利要求1所述的太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器，其特征在于所述的进气导管(3)上的开孔(4)位于进气导管(3)的半个壁面上；进气导管(3)有开孔(4)的半个壁面朝向吸热器腔体(I)内壁面，另一半壁面朝向透光窗口(9)。
5.按照权利要求 1或4所述的太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器，其特征在于在所述的开孔(4)上安装支管用以导流。
全文摘要
一种太阳能热发电用内循环式固体颗粒空气吸热器，其吸热器腔体(1)面对聚光辐射能流(8)投射的一侧安装有透光窗口(9)。固体颗粒(2)位于吸热器腔体(1)内。进气导管(3)位于吸热器腔体(1)内。进气导管(3)壁面上开有开孔(4)。所述的进气导管(3)一端密封，另一端作为空气进口(6)。空气进口(6)位于吸热器腔体(1)的底部或侧面或顶部。空气出口(10)位于吸热器腔体(1)的顶部。本发明可获得700℃-1300℃、常压或者1MPa压力以上的空气。
文档编号F24J2/24GK103216952SQ201310129899
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者张亚南, 白凤武, 王方舟, 王艳, 张喜良, 李鑫, 王志峰, 廖志荣 申请人:中国科学院电工研究所