一种光热转换装置和方法与流程

本发明属于清洁能源系统，尤其涉及利用太阳能的一种光热转换装置和方法。

背景技术：

目前在住宅清洁能源利用领域存在多种技术方案，在太阳能利用领域包括光热发电、光伏发电和太阳能热水等方式。光热转换装置是太热能利用装置的核心设备，由于从自然界采集的太阳能随气候、时间等因素的变化量极大，普通的太阳能光热转换装置无法适应太阳能变化量大的情况，在太阳能采集量较低时无法使设备正常工作，在太阳能采集量过大时导热介质无法适应过高的温度，妨碍了对太阳能的充分利用，制约了太阳能利用技术的发展。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种光热转换装置和方法的技术方案，提高光热转换装置对变化量大的太阳能采集的适应性，提高太阳能综合利用效益。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种光热转换装置，将光能转换为热能提供给热能利用设备（7），所述光热转换装置包括壳体（1）、光热接收器（2）、平衡仓（3）；所述壳体是设有内壳和外壳的双层壳体，在所述内壳和外壳之间构成封闭的蓄热腔（1-1），所述蓄热腔中填充有蓄热介质（0-1）；在所述内壳的下部设有加热腔（1-2），在所述内壳的上部设有循环腔（1-3），所述加热腔与循环腔之间设有连通管（1-8），所述连通管的上端连通所述循环腔的底部，所述连通管的下端伸入到所述加热腔的下部；所述加热腔中填充有相变导热介质（0-2-1），所述相变导热介质是在温度升高到相变温度时从固态转变为液态的物质，所述循环腔中填充有流体载热介质（0-2-2）；所述光热接收器设置在所述加热腔中；所述循环腔的上端连接一条热介质输出管路（5-1），所述热介质输出管路的另一端连接所述热能利用设备的热介质入口，所述循环腔的下端连接一条回流管路（5-2），所述回流管路的另一端连接所述热能利用设备的热介质出口；所述平衡仓是封闭的腔体，在所述平衡仓的上部设有气态接口，在所述平衡仓的下端设有液态接口，所述气态接口通过设有压缩机（4）的管道连通所述加热腔的顶端，所述液态接口连通所述热介质输出管路，在所述平衡仓内充有惰性气体，在所述平衡仓的下部保存有所述流体载热介质。

更进一步，所述壳体的位置低于所述热能利用设备，所述平衡仓的位置高于所述热能利用设备。

更进一步，所述光热接收器内设有接收射入光线的导热锥（2-2），在所述光热接收器的外表面设有导热片（2-3，2-4），所述导热片与所述加热腔中的相变导热介质相接触。

更进一步，在所述回流管路上设有温度传感器（5-4）。

更进一步，所述蓄热腔中填充的蓄热介质（0-1）是相变蓄热介质，所述相变蓄热介质包括三元氯化物；所述平衡仓内的惰性气体是氮气。

更进一步，所述加热腔中填充的相变导热介质（0-2-1）是金属锡。

更进一步，所述循环腔中填充的流体载热介质（0-2-2）是导热油。

更进一步，所述热能利用设备（7）是斯特林发动机膨胀端加热器。

一种光热转换方法，所述方法是权利要求1至7任意一项所述的光热转换装置的光热转换方法；其特征在于，所述方法包括：

所述光热接收器（2）接收含有热能的光源、并产生热能加热所述加热腔中的相变导热介质（0-2-1），所述相变导热介质加热所述循环腔中的流体载热介质（0-2-2），同时所述蓄热腔中的蓄热介质（0-1）吸收并存储热能；

被加热的流体载热介质通过热介质输出管路（5-1）将热能输送至所述热能利用设备（7），完成热能利用的流体载热介质通过回流管路（5-2）返回到所述循环腔的底部，完成热能利用循环；

当所述相变导热介质的温度超过相变温度转变为液态后，启动压缩机（4），将所述平衡仓（3）内的惰性气体充入加热腔中，在所述加热腔的顶部形成充气隔层（1-4），使加热腔中的相变导热介质通过所述连通管（1-8）进入所述循环腔，所述循环腔中的流体载热介质通过平衡仓下端的液态接口进入平衡仓，当全部流体载热介质进入平衡仓之后，所述相变导热介质通过热介质输出管路（5-1）将热能输送至所述热能利用设备（7），完成热能利用的相变导热介质通过回流管路（5-2）返回到所述循环腔的底部，完成热能利用循环；

当所述相变导热介质的温度降低时，在相变导热介质的温度降低至相变温度之前将加热腔中惰性气体放回至所述平衡仓中，使进入循环腔中的所述相变导热介质回流至加热腔，使进入平衡仓内的所述流体载热介质回流至循环腔中，流体载热介质通过热介质输出管路（5-1）将热能输送至所述热能利用设备（7），完成热能利用的流体载热介质通过回流管路（5-2）返回到所述循环腔内，完成热能利用循环。

更进一步，，所述相变导热介质是金属锡，当所述相变导热介质的温度高于300℃时启动压缩机，将所述平衡仓内的惰性气体充入加热腔中；当所述相变导热介质的温度低于250℃时将加热腔中惰性气体放回至所述平衡仓中；

所述温度传感器（5-4）探测所述相变导热介质的温度。

本发明的有益效果是：采用常规的液态载热介质进行常规热能传递，采用相变导热介质实现高温热能传递，提高了光热转换装置输出的导热介质的温度适应范围，可输出高于1000℃的高温导热介质，可在阳光采集变化量大的环境中充分利用太阳能。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1是本发明结构图；

图2是本发明光热接收器结构图；

图3是图2的A向视图；

图4是本发明流体载热介质进行热能利用循环示意图：

图5是本发明由流体载热介质切换到相变导热介质进行热能利用循环示意图；

图6是本发明由相变导热介质切换到流体载热介质进行热能利用循环示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1、图2，一种光热转换装置，将光能转换为热能提供给热能利用设备7，热能利用设备是斯特林发动机膨胀端加热器，斯特林发动机是一种外热式发动机。

光热转换装置包括壳体1、光热接收器2、平衡仓3。

壳体的位置低于热能利用设备，平衡仓的位置高于所述热能利用设备。

壳体是设有内壳和外壳双层壳体，在内壳和外壳之间构成封闭的蓄热腔1-1，蓄热腔中填充有蓄热介质0-1；蓄热腔中填充的蓄热介质是一种相变蓄热介质，采用三元氯化物，三元氯化物是氯化钾、氯化钠和氯化镁的混合物。

在内壳的下部设有加热腔1-2，在内壳的上部设有循环腔1-3，加热腔与循环腔之间设有连通管1-8，连通管的上端连通循环腔的底部，连通管的下端伸入到加热腔的下部。

加热腔中填充有相变导热介质0-2-1，相变导热介质是在温度升高到相变温度时从固态转变为液态的物质，本实施例中的相变导热介质是金属锡。

循环腔中填充有流体载热介质0-2-2，流体载热介质是液态导热物质，本实施例中，循环腔中填充的流体载热介质是导热油，本实施例的导热油是最高工作温度不低于360℃的导热油。

光热接收器设置在加热腔中；光热接收器设有圆柱形外壳2-1，光热接收器内设有接收射入光线的导热锥2-2，在光热接收器外壳的外表面设有环形导热片2-3，在光热接收器外壳的两端设有矩形导热片2-4，导热片与加热腔中的相变导热介质相接触。光热接收器接收由光导管6输入的光线。

循环腔的上端设有流体载热介质出口1-6，流体载热介质出口连接一条热介质输出管路（5-1），热介质输出管路的另一端连接热能利用设备的加热介质入口；在循环腔的下端设有流体载热介质进口1-7，流体载热介质进口连接一条回流管路（5-2），回流管路的另一端连接热能利用设备的加热介质出口。

平衡仓安装在高于热能利用设备的平台上；平衡仓是封闭的腔体，在平衡仓的上部设有气态接口3-1，在平衡仓的下端设有液态接口3-2；在加热腔的顶端设有惰性气体接口1-5，平衡仓的气态接口通过设有压缩机4的惰性气体管道4-1连通惰性气体接口；平衡仓的液态接口在热介质输出管路的最高点通过一条流体载热介质吐纳管5-3连通热介质输出管路。

在平衡仓内充有惰性气体0-3，本实施例中，平衡仓内的惰性气体是氮气。在平衡仓的下部保存有流体载热介质。

在回流管路上设有温度传感器5-4。

实施例二：

一种光热转换方法，所述方法是实施例一光热转换装置的光热转换方法；所述方法包括：

如图4，光热接收器2接收光导管6输入的含有热能的光源、并产生热能加热所述加热腔中的相变导热介质0-2-1，相变导热介质是热传导性能良好的金属锡，相变导热介质加热位于上方循环腔中的流体载热介质0-2-2，同时蓄热腔中的蓄热介质吸收并存储部分热能。

本实施例中，采用流体载热介质的受热自循环加热热能利用设备，当流体载热介质（导热油）受热后会向上流动，被加热的流体载热介质通过热介质输出管路5-1将热能输送至热能利用设备7，完成热能利用的流体载热介质通过回流管路5-2返回到所述循环腔内，完成热能利用循环；

如图5，作为相变导热介质的锡的相变温度（或熔点）为232℃，当相变导热介质的温度超过相变温度转变为液态后（本实施例当相变导热介质的温度高于300℃时），启动压缩机4，并开启充气控制阀4-2，将平衡仓3内的惰性气体充入加热腔中，在加热腔的顶部形成充气隔层1-4，使加热腔中的相变导热介质通过连通管1-8进入循环腔，循环腔中的流体载热介质通过平衡仓下端的液态接口进入平衡仓，当全部流体载热介质进入平衡仓之后，关闭压缩机，停止向加热腔中充气；此时相变导热介质替代流体载热介质进行热能利用循环。相变导热介质通过热介质输出管路5-1将热能输送至所述热能利用设备7，完成热能利用的相变导热介质通过回流管路5-2返回到所述循环腔的底部，完成热能利用循环。

如图6，当所述相变导热介质的温度降低时（本实施例当相变导热介质的温度低于250℃时），在相变导热介质的温度降低至相变温度之前将加热腔中惰性气体放回至所述平衡仓中，操作方法是，开启回流控制阀4-3，加热腔中惰性气体回流至平衡仓中，使进入循环腔中的相变导热介质回流至加热腔，使进入平衡仓内的流体载热介质回流至循环腔中，流体载热介质替代相变导热介质进行热能利用循环。流体载热介质通过热介质输出管路5-1将热能输送至所述热能利用设备7，完成热能利用的流体载热介质通过回流管路5-2返回到所述循环腔的底部，完成热能利用循环。

光热转换器是接收阳光反射传输装置传输来的高密度聚焦阳光，将其转换为热能，在相变蓄热的同时传导给流体载热介质，流体载热介质依靠自身热动力循环，为斯特林发动机自动输送热能。

光热转换器的壳体1及其相关部件均由耐热金属材料制作。

在静态下，外腔1-1充注三元氯化物相变蓄热介质0-1；加热下腔1-2充注金属锡（或锡合金）0-2-1，循环上腔1-3充注导热油0-2-2；惰性气间隙1-4则是在切换流体载热介质时用于容纳压缩惰性气体0-3。

光热接收器2用于接收光热传输导管发射端投射来的高能聚焦光斑F的光热能量，将其转化为中、高温热能传导给相变导热介质。

光热接收器2是光热转换器的核心部件。光热接收器2是圆柱形封闭壳体结构。圆柱形封闭壳体内部是高能聚焦光斑F的吸收空间。圆柱形封闭壳体2-1外部是充置相变导热介质0-2-1的加热下腔1-2。

在圆柱形封闭壳体2-1内部，沿内壁表面紧密布满接受高能聚焦光斑F的多面正棱锥体导热锥2-2，导热锥2-2的锥尖均指向壳体轴心；在圆柱形封闭壳体2-1外部柱面，沿柱面轴向间隔布置环形导热片2-3。在壳体外部端头，沿端面横向间隔布置竖向的矩形导热片2-4。壳体设有锥形光热接收导管2-5，光热接收导管2-5与光热转换器壳体1焊接为一体。

在多面棱锥体导热锥2-2的表面进行金属等离子体磁控溅射工艺处理。使多面棱锥体导热锥2-2表面生成光吸收特性表面。以提高光热吸收率，减少光热逆向辐射。

因光热传输导管6投射来的高能聚焦光斑F具有很高温度。光热接收器2的多面棱锥体2-2须具备耐高温、抗烧蚀和低热阻性能。

光热接收器2的受光原理：依据隐形技术原理，阳光聚焦光束在光热接收导管2-5内沿光线传输方向聚焦投射到导热锥2-2表面，其中绝大部分光能被吸收转化为热能。少量光能被导热锥2-2表面反射。因多个导热锥2-2密集布置，被导热锥2-2表面反射出的光能只能在各导热锥2-2表面反复反射，直到被导热锥2-2吸收殆尽，转化为热能。而极少能够逆向返回入射方向。

光热射线在导热锥2-2上经极多次反射，使光热接收器2内腔形成接近于光学黑体的深度灰体；因在光热接收器2内腔密集设置多个导热锥2-2，从而增大了光热辐射受热面积；减小传热界面热阻，从而提高传热效率。

光热接收器2的导热原理：来自光热传输导管6的高密度聚焦光束经光热传输导管2-5通道在焦点汇聚成的高能聚焦光斑F照射在多面棱锥体2-2上，因多个导热锥2-2具有很大表面积，绝大部分光热射线被导热锥2-2吸收形成中、高温热能后，通过导热片（2-3、2-4）传导给金属锡（或锡合金）0-2-1。

热能的储蓄功能：为使热系统保持稳定、均衡的工况，光热转换器同时具备蓄热功能。蓄热功能通过三元氯化物在相变温度经历固-液状态变化实现。

三元氯化物由氯化钾、氯化钠和氯化镁按照一定比例混合，使之相变温度接近400°C。以使其在该温度附近通过凝固、熔化而吐纳热能，维持装置温度稳定。

二元流体载热介质（包括0-2-1,0-2-2）自身热动力循环传输热能：为使太阳能采集传输装置采集到的热能实现宽温域（低温-中温-高温）传输，提高热动力机械的热力学效率，降低热能输送的动能消耗，维持热系统稳定运行。光热转换装置采用导热油0-2-2和金属锡（或锡合金）0-2-1二元流体热媒输送热能。使整个热系统能在自常温到1200C°之间的宽温度区域内正常工作，以适应整个热系统在不同光照条件下采集并在流体载热介质0-2不同温度时传输热能。装置在低、中温（低于400C°）区间流体载热介质可采用导热油0-2-2；在高温（高于300C°）区间流体载热介质0-2可采用金属锡（或锡合金）0-2-1。300C°至400C°之间为两种流体载热介质切换操作温度范围。系统的两种流体载热介质切换操作温度范围以温度传感器5-4所测得的温度为准。

因二元流体载热介质是在光热转换器内封闭环境下以惰性气实现切换，故导热油0-2-2和金属锡（或锡合金）0-2-1不会发生氧化变质。

光热转换器的系统运行原理：在常温状态下，光热转换器里的中温相变蓄热材料三元氯化物0-1和金属锡（或其合金）0-2-1均为固态，导热油0-2-2为液态。

当光热接收器接受并传出热能，在加热腔1-2直接加热金属锡（或其合金）0-2-1。金属锡（或其合金）0-2-1升温后同时将热能传导给蓄热外腔1-1中的三元氯化物0-1和循环上腔1-3中的导热油0-2-2。当导热油0-2-2达到一定温度时，开始沿循环管道的设定路线自动循环流动。为斯特林发发动机不间断输送热量。

当经导热油0-2-2加热达到金属锡融化温度时，金属锡（或其合金）0-2-1首先融化蓄热并同时具有流动性。当循环导热油0-2-2温度稳定高于金属锡（或其合金）0-2-1熔点以上一定温度时，启动压缩机（惰性气泵）4，抽吸平衡仓3中的惰性气体0-3并通过惰性气体管道4-1压缩进加热腔1-2中的惰性气间隙1-4。将金属锡（或其合金）0-2-1挤压到循环上腔1-3，接替导热油0-2-2自动循环输送热量。实现系统在中温并逐步过渡到高温状态下运行。被置换出的导热油0-2-2由金属锡（或其合金）0-2-1推动进入平衡仓3中。

当金属锡（或其合金）0-2-1达到400 C°时，蓄热腔1-1中的三元氯化物0-1开始逐步融化吸热，储蓄峰值热能。

当蓄热腔1-1中的三元氯化物0-1全部融化后，系统温度继续升高，维持系统自中温并逐步过渡到高温状态运行。

当外界给热减少，系统温度低于400 C°时，三元氯化物0-1则首先放热凝固，凝固所放出的热量为用热部位继续供热，维持系统在中温状态运行；在温度降低到金属锡（或其合金）0-2-1凝固点以前，系统切换到导热油0-2-2循环模式。用切换热介质的方式来保持斯特林发动机和整个热系统在宽温域稳定运行。

光热转换器中的二元流体热介质0-2以压缩机1-4提供的压缩惰性气0-3推动金属锡（或其合金）0-2-1和导热油0-2-2两介质间互相切换运行。

为减少热量损失，光热转换器及其相关的全部设备、管路均须严密设置高效隔热层。

光热转换器须安装在低于斯特林发电-热泵联体机的位置；平衡仓3和压缩机4须安装在高于光热转换器和斯特林发动机的位置。

因光热转换器的位置远低于斯特林发动机膨胀端加热器7，故流体载热介质经光热接收器2加热膨胀后，依靠自身热动力向高位流动，在进入斯特林发动机的膨胀端加热器7后，将热能转化为机械能并降温收缩。因斯特林发动机膨胀端加热器7处于高位，故降温收缩后的流体载热介质自身热动力减小而向低位沉降。在流经光热转换器蓄积热量后，再接受光热接收器2加热并进入下一循环。

流体载热介质借助设备安置的位差，利用得热、给热产生的温差形成自身热动力循环。彻底摆脱了外动力推动。既可减少动力消耗，又能避免因动力设备磨损而发生泄漏和机械故障。从而实现热系统装置无外动力的经济、安全、长效运行。