一种基于V型吸热壁腔式太阳能吸收器的碟式发电装置的制作方法

本实用新型属于太阳能碟式发电技术领域，尤其涉及一种基于v型吸热壁腔式太阳能吸收器的碟式发电装置。

背景技术：

太阳能是一种清洁能源，实现太阳能高效利用一直以来是人类的梦想。目前的太阳能利用方式主要有光伏发电、光热发电以及太阳能的热化学应用等。受制于太阳能电池材料的发展，光伏发电效率在短期之内难以有较大幅度的提高。因此，开展对太阳能热利用的研究具有重要意义。按照太阳能聚光形式，目前太阳能热发电主要可分为槽式、塔式和碟式三种。从目前已经商业化的太阳能热电站来看，槽式发电系统居于绝对统治地位，塔式次之。槽式和塔式热发电系统均配有高温蓄热装置，能够在太阳下山之后继续工作，在一定程度上克服了太阳能具有间断性的缺点。

超临界co2布雷顿循环相比于传统的朗肯循环具有更高的循环效率和易实现干冷等优点，被视为下一代太阳能热发电技术。padillarv等人将s-co2四种布雷顿循环与塔式太阳能热发电系统相结合，对其进行了分析。(padillarv,tooycs,benitor,etal.exergeticanalysisofsupercriticalco2,braytoncyclesintegratedwithsolarcentralreceivers[j].appliedenergy,2015,148:348-365.)。西安交通大学的朱含慧等人对超临界co2布雷顿循环耦合塔式太阳能热发电系统进行了热力学分析(朱含慧,王坤,何雅玲.直接式s-co2塔式太阳能热发电系统光-热-功一体化热力学分析[j].工程热物理学报,2017(10))。结合其他学者的研究结果，可以认为采用“带中间冷却的再压缩和再热”方式，提高co2流体在燃气透平的入口温度均有利于提高超临界co2布雷顿循环发电系统效率。

碟式太阳能热发电系统由于聚光比高、热布局灵活，光电效率高于槽式和塔式热发电系统，单位成本下降空间较大而受到研究人员的广泛关注。但是，目前作为碟式太阳能热发电系统核心装置的腔式吸收器往往无法同时兼顾减小热损、提高光热转化效率与有效储热。并且，目前太阳能发电系统普遍使用朗肯循环，将聚焦后的太阳光线用于加热传热流体，驱动汽轮机进行发电，不仅不适用于缺水地区，而且热电转化效率低。此外，热电站的建设和生产往往对用于储热的高温熔融盐有较大的需求，其发电成本易受熔融盐价格影响。因此，设计出一种能高效、实用、经济兼具储热的碟式太阳能吸热器对于降低碟式太阳能热发电的成本以及促进其大规模商业化具有重要意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供一种热电转化效率高、发电效率高的基于v型吸热壁腔式太阳能吸收器的碟式发电装置。

一种基于v型吸热壁腔式太阳能吸收器的碟式发电装置，包括光-热转换单元、超临界co2布雷顿循环发电系统；光-热转换单元包括v型吸热壁腔式太阳能吸收器、聚光镜、co2管道，多个聚光镜均匀设置于v型吸热壁腔式太阳能吸收器的周围，v型吸热壁腔式太阳能吸收器通过co2管道和超临界co2布雷顿循环发电系统连接；v型吸热壁腔式太阳能吸收器内置有v型吸热腔组件，v型吸热腔组件包括多个换热层，换热层内端在v型吸热壁腔式太阳能吸收器的虚拟中心轴处交汇，相邻两换热层之间具有夹角α，换热层将v型吸热壁腔式太阳能吸收器内部隔离成多个相互独立且密封的v型密闭空间，v型密闭空间设置为保温室或吸热腔室，保温室和吸热腔室交替设置(也即，保温室和吸热腔室数量相同，保温室和吸热腔室均间隔设置，且保温室和吸热腔室相邻)，光学入射窗口正对吸热腔室；换热层内嵌入有换热管。采用此结构，采用v型吸热壁腔式太阳能吸收器将实现光-热转换，因此热损少，热转换效率高；同时，采用超临界co2布雷顿循环发电系统，将热能输入布雷顿循环发电系统进行发电，因此循环效率、发电效率高，且易实现干冷；v型吸热壁腔式太阳能吸收器和临界co2布雷顿循环发电系统并入设计，使得能量转换效率更高、发电效率更高，降低了生产成本，提高了电厂效益。

作为一种优选，夹角α为60度，保温室和吸热腔室均为3个。采用此结构，60°开口的两v型换热层可以几乎完全吸收所有入射光线，可以使进入腔室的光线发生多重发射而被吸收，有效地减少了光学损失。

作为一种优选，换热层内嵌入有十字叶型套管；换热层上、下端分别和传热工质进口、传热工质出口连接。采用此结构，套管增加了传热工质流体的阻力，也使得流体在套管与换热管之间形成二次环流，在较低雷诺数下获得较高湍流度，从而提高换热系数。

作为一种优选，保温室包括保温壁、梯形翅板，保温壁平铺在v型密闭空间的换热层上，两保温壁之间平行、等距安装有多个梯形翅板；保温室内内置有相变材料。采用此结构，通过保温壁、梯形翅板使得保温室能更好地储热，从而减少热损；并且利用相变材料充当储能工质，当吸热壁面的余热传递到保温壁，相变材料受热，完成储能；在吸热壁无热源流入时，相变材料释放出储存的能量，在梯形翅板的扰动下对换热层进行热返还，从而进一步提高能量利用，减少热能损耗。

作为一种优选，吸热腔室包括吸热壁、吸热针，吸热壁平铺在v型密闭空间的换热层上，吸热针呈阵列状安装于吸热壁上。采用此结构，吸热壁能吸收大部分太阳辐射能，实现高效率的光-热转换；并且通过吸热针能吸附游离在壁面的太阳辐射能，进一步提高热能吸收。

作为一种优选，v型吸热壁腔式太阳能吸收器还包括顶盖、壳体、底板，壳体呈圆柱体状，壳体两端为法兰部，壳体上、下端的法兰部分别和顶盖、底板固定连接，v型吸热腔组件安装在顶盖、壳体、底板围成的空间内。采用此结构，吸收器结构简单，偏于组装拆卸，且也利于分隔形成保温室和吸热腔室。

作为一种优选，顶盖、壳体、底板均包括内壁、保温层、外壁，内壁、外壁均采用不锈钢材料制成，保温层内填充保温隔热材料。采用此结构，隔热材料能有效隔热，对内部结构的热能进行保温，减少热损，并且填充绝热方式更加经济，有利于降低太阳能热发电系统的成本。

作为一种优选，光学入射窗口呈圆形，光学入射窗口位于壳体轴向中间处；光学入射窗口的直径约占壳体轴向长度的四分之一到三分之一；光学入射窗口采用2层透光率大于0.95的耐高温的高透射玻璃制成，内外两层高透射玻璃的中间为真空层。采用此结构，提高光线入射效率，保证吸收器能够吸收绝大部分光线；双层高透射玻璃的光学入射窗口能有效使得太阳光线透射聚焦，同时隔绝空气流动，减小对流损失。

作为一种优选，超临界co2布雷顿循环发电系统包括高压级透平、中间回热器、低压级透平、发电机、高温回热器、低温回热器、冷却器、预压缩机、中间冷却器、主压缩机；高压级透平、中间回热器、低压级透平依次连接，低压级透平另一端分别和发电机、高温回热器连接，流体在低压级透平做功带动电动机发电后输送至高温回热器；高温回热器一端口和低温回热器连接；低温回热器再通过三通阀分别和预压缩机一、主压缩机连接，预压缩机一经中间冷却器和预压缩机二连接，预压缩机二和低温回热器连接；主压缩机、低温回热器通过三通阀和高温回热器另一端口连接；流体经低温回热器分流后再在高温回热器合流预热后重新回输至光-热转换单元。采用此结构，耦合的s-co2循环系统更加高效节能，提高了热电转化效率；分流可以避免回热器的夹点问题；预压缩机和中间冷却器的使用，使主压缩机可以维持在co2临界点附近运行，降低耗功，使用回热器做功后的s-co2流体送回光-热转换单元，实现了闭式循环，比传统的开式循环具有更高的效率，进一步减少了对外排放。

作为一种优选，还包括聚光镜安装轴柱、聚光镜转动部件、控制系统，聚光镜安装轴柱固定于地面上，聚光镜通过聚光镜转动部件安装于聚光镜安装轴柱上端；控制系统和聚光镜转动部件连接；控制系统实时跟踪太阳位置，并且调节聚光镜转动部件，使太阳光线经聚光镜聚焦之后，准确射入光学窗口。采用此结构，通过控制系统控制聚光镜转动部件转动，吸收聚集更多太阳光线，从而聚集更多地光能，提高发电能力和发电效率。

本实用新型的有益效果：

1、v型吸热壁腔式太阳能吸收器的结构可以使进入腔室的光线发生多重发射而被吸收，有效地减少了光学损失；3个吸热腔室与3个储热腔室同时置于一个容器内，相当于传统的3个吸收器，紧凑的结构利于在同样的空间内吸收更多的光能，从而转换为更多热能；保温层中的相变材质热流蒸汽在梯形翅板之间做着复杂的运动，有效地对换热层进行了热返还，减少了热损；吸热针的使用能够吸收游离的辐射能，进一步提高吸热壁温度，有利于强化传热；套管的使用增大了流体的湍流度，提高了流体的换热系数。

2、多个聚光镜同时为一个吸收器聚焦光线，减少了光线在空气的传播，多个聚光镜具有空间对称性，使得控制系统的实现难度降低，有利于更好追踪太阳光线，从而聚集更多光能，并转换为热能，进而发电出更多电能，同时由于追踪降低了难度，减小了耗电，进而降低光热电站的产电自用率，可以向外输送更多的电力；因此光-热转化单元更加高效。

3、本实用新型采用碟式热发电系统，由于碟式聚光的高聚光比相比于塔式聚光更加高效，因此使得输出的s-co2具有更高的温度，有利于提高s-co2布雷顿循环效率；同时，由于太阳能吸收器具有吸热储热一体化，可以不像传统热电系统专门利用熔融盐罐进行储热，减少了熔融盐用量，有利于降低生产成本，同时降低了太阳能热电站的设计难度，方便于日后的生产维护。

4、本实用新型对超临界co2布雷顿循环发电系统进行了耦合设计，耦合的s-co2循环系统更加高效节能，提高了热电转化效率；分流可以避免回热器的夹点问题；预压缩机和中间冷却器的使用，使主压缩机可以维持在co2临界点附近运行，降低耗功，使用回热器做功后的s-co2送回光-热转换单元，实现了闭式循环，比传统的开式循环具有更高的效率，进一步减少了对外排放。

附图说明

图1是一种基于v型吸热壁腔式太阳能吸收器的碟式发电装置的结构示意图。

图2是光-热转换单元的结构示意图。

图3是v型腔体式太阳能吸收器的局部剖视图。

其中，1-光-热转化单元；2-阀门；3-高压级透平；4-中间回热器；5-低压级透平；6-发电机；7-高温回热器；8-三通阀tv2；9-低温回热器；10-三通阀tv1；11-冷却器；12-预压缩机一；13-中间冷却器；14-预压缩机二；15-主压缩机；16-进口阀门；17-聚光镜；18-聚光镜转动部件；19-聚光镜安装轴柱；20-控制系统；21-吸收器支撑架；22-v型吸收壁腔式太阳能吸收器；23-螺栓；24-螺母；25-光学入射窗口；26-底板；27-传热工质出口；28-保温壁；29-梯形翅板；30-换热层；31-吸热针；32-吸热壁；33-壳体内壁；34-壳体保温层；35-壳体外壁；36-顶盖内壁；37-顶盖保温层；38-顶盖外壁；39-传热工质进口；40-太阳。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的具体说明。

一种基于v型吸热壁腔式太阳能吸收器的碟式发电装置，包括光-热转换单元、超临界co2布雷顿循环发电系统；光-热转换单元将光能转换为热能，超临界co2布雷顿循环发电系统用于发电；光-热转换单元和超临界co2布雷顿循环发电系统连接。

光-热转换单元可多个串联一起或并联一起，也可先串联再并联从而给超临界co2布雷顿循环发电系统提供更多的热能。在本实施例中，包括四个光-热转换单元，四个光-热转换单元先两两串联一起形成两小组，两小组并联后再和超临界co2布雷顿循环发电系统连接。

光-热转换单元包括v型吸收壁腔式太阳能吸收器、聚光镜、co2管道和阀门；在一个v型吸收壁腔式太阳能吸收器的周围设置多个聚光镜，每个聚光镜正对着v型吸收壁腔式太阳能吸收器的光学入射窗口；v型吸收壁腔式太阳能吸收器的传热工质出口、传热工质进口分别和co2管道连接，co2管道和超临界co2布雷顿循环发电系统连接。和传热工质出口连接的co2管道上设有阀门，和传热工质进口相连接的co2管道上设有进口阀门。v型吸收壁腔式太阳能吸收器置于吸收器支撑架上，吸收器支撑架置于地面。聚光镜安装轴柱固定于地面上，聚光镜通过聚光镜转动部件安装于聚光镜安装轴柱上端；控制系统和聚光镜转动部件连接。控制系统可以实时跟踪太阳位置，并且调节聚光镜转动部件，使太阳光线经聚光镜聚焦之后，准确射入光学窗口。本实施例中，每一个光-热转换单元包括三个聚光镜，三个聚光镜均匀分布于v型吸热壁腔式太阳能吸收器的外围。

v型吸热壁腔式太阳能吸收器包括顶盖、壳体、底板、v型吸热腔组件，壳体置于底板上，顶盖设于壳体上；壳体下端和底板通过螺栓、螺母固定连接，壳体上端和顶盖通过螺栓、螺母固定连接。壳体上设有光学入射窗口。v型吸热腔组件设于壳体、顶盖、底板包围形成的空间内。顶盖上设有传热工质进口。底板上设有传热工质出口。

v型吸热腔组件包括换热层，多个换热层在壳体的中心轴(壳体的虚拟中心轴，并没实际存在的轴)处交汇，相邻两换热层之间的夹角为α；换热层将顶盖、底板、壳体包围形成空间隔离成多个v型密闭空间。一个v型密闭空间可制作成一保温室或一吸热腔室。保温室和吸热腔室交叉分布，也即保温室和吸热腔室相邻，保温室和吸热腔室数量相同。各腔室之间互不相通，气密性良好。换热层内嵌入有传热工质换热管，传热工质换热管上下端分别与传热工质进口和传热工质出口相连。在一个v型密闭空间内两换热层内壁上各铺满一层吸热壁，吸热壁上布置有吸热针，吸热针均匀布置(呈阵列分布)，从而形成吸热腔室。吸热针呈圆锥体形状。在一个v型密闭空间内两换热层内壁上各铺满一层保温壁，两保温壁之间平行安装有多个梯形翅板，从而形成保温室。梯形翅板两侧焊接在两保温壁上，并沿着壳体的轴向等距分布，安装后的梯形翅板相互平行。梯形翅板的材质与保温壁用材相同。吸热腔室和壳体上的光学入射窗口相对。

本实施例中，包括六块换热层，六块换热层在竖向轴处交汇，两两相邻的换热层之间的夹角α为60度，吸热腔室和保温室间交叉分布。也即，v型吸热腔组件包括三个吸热腔室，及三个保温室，吸热腔室和保温室间相邻。3个吸热腔室和3个储热腔室，同时实现换热和储热。换热层为错流分布；并在换热层中间放置十字叶型套管。套管增加了传热工质流体的阻力，也使得流体在套管与换热层之间形成二次环流，在较低雷诺数下获得较高湍流度，从而提高换热系数。换热层道内的传热工质可以选择水或相变储能流体或热化学储能流体中。保温壁与吸热壁规格相同，材质均可选用耐腐蚀的导热金属，如不锈钢、紫铜或者铍青铜中。保温室内置有相变材料，利用相变材料充当储能工质。相变材料，可采用低沸点的钠，钠为熔融盐中的一种。相变材料在保温室内可以发生下述过程：相变材料未受热之前，应该紧贴于保温壁或梯形翅板上，受热沸腾或者发生相变之后可以将热量储存起来；当无热源继续对相变材料进行加热时，相变材料可以在冷凝之后在自身重力和梯形翅板的阻挡下再次聚集，重复使用。

顶盖为圆盘，圆盘上设有呈圆周阵列分布的多个螺纹孔；在顶盖的中心处设有多个传热工质进口，多个传热工质进口呈环状分布。顶盖包括顶盖外壁、顶盖保温层、顶盖内壁；顶盖外壁、顶盖内壁均使用不锈钢材料制成，顶盖保温层为绝热材料。

底板呈圆盘状，直径和顶盖相同。底盘上设有多个螺纹孔，螺纹孔呈环状均匀分布于底板上；螺纹孔规格一致，螺纹孔用于配合螺钉将底板和壳体固定连接。在底板的下表面上设有多个传热工质出口，多个传热工质出口呈环状均匀分布。传热工质出口用于提供传热工质的出口。底板内壁(即内层)、底板外壁(即外层)均采用不锈钢材料，厚度为3～5mm；底板的中间填充保温绝热材料，厚度为25～35mm，形成底板保温层。

壳体两端为法兰部，两法兰部之间为圆筒，法兰部上均开设有多个均匀分布的螺纹孔。更为具体地，壳体中部为圆筒，圆筒两端向外延伸形成法兰部，法兰部和圆筒一体成型。圆筒壁上开设有多个光学入射窗口，光学入射窗口位于壳体轴向中间处，光学入射窗口可为圆形或矩形或其他形状。本实施例中，光学入射窗口为圆形，光学入射窗口的数量为3个，一个光学入射窗口对应v型吸热腔组件的一个吸热腔室；相邻光学入射窗口的几何中心之间的弧度为120度。光学入射窗口的直径约占壳体轴向长度的四分之一到三分之一，由2层透光率大于0.95的耐高温的高透射玻璃组成，包括光学入射窗口内层和光学入射窗口外层，内、外两层厚均约为2mm，两层高透射玻璃的中间保持真空或高真空状态，形成光学入射窗口真空层，因此能有效用于透射聚焦的太阳光线，同时隔绝空气流动，减小对流损失。壳体由内之外依次包括壳体内壁、壳体保温层、壳体外壁，保温隔热层位于内壁和外壁之间；壳体内壁与外壁均采用钢制材料制成，壳体内壁与外壁厚度为5～7mm；中间的保温隔热层为填充耐高温隔热材料，厚度约为60mm。

光线通过光学入射窗口进入v型吸热腔，热量被吸热腔室内的吸热壁和吸热针吸收并传递到换热层，使得流动中的传热工质温度升高，完成直接换热；余热传递到保温室，使得熔点较低的熔融盐受热，发生相变，由固态变成液态，浸润保温壁，完成热能向热化学能的转化；当太阳下山之后，熔融盐发生冷凝，储存的热化学能完全释放成热能，在梯形翅板的扰动下对换热层中的流体进行热返还，使系统在无外部热源的工况下继续工作。

超临界co2布雷顿循环发电系统包括高压级透平、中间回热器、低压级透平、发电机、高温回热器、低温回热器、冷却器、预压缩机、中间冷却器、主压缩机。高压级透平、中间回热器、低压级透平依次连接，低压级透平另一端分别高温回热器第一端口和发电机连接。高温回热器和低温回热器连接。高温回热器再通过三通阀tv1分别和预压缩机一、主压缩机连接。预压缩机一经中间冷却器和预压缩机二连接，预压缩机二和低温回热器连接。主压缩机、低温回热器通过三通阀tv2和高温回热器第二端口连接。高压级透平的入口和co2管道连接；高温回热器也和co2管道连接。

经过光-热转换单元加热后的高温高压s-co2通过co2管道进入高压级透平，在高压级透平膨胀做功后，经中间回热器再次加热后进入低压级透平，在低压级透平再次膨胀做工，并带动电动机发电；接着，做功后的s-co2输送至光-热转换单元进行重新加热，进行下一次循环。在低压级透平膨胀做功后的s-co2首先经过高温回热器，为避免回热器出现夹点问题，s-co2流体在经过低温回热器之后进行分流；一部分经冷却器进入预压缩机一，再经流中间冷却器和预压缩机二返回至低温回热器；一部分经三通阀调节进入主压缩机被压缩；两部分s-co2流体经三通阀再汇合至高温回热器预热，重新回到光-热转换单元，实现闭式循环。

本实用新型中，v型吸收壁腔式太阳能吸收器的流体用s-co2，也称s-co2流体，或直接记载为流体。

碟式太阳能系统的聚光比高达1000以上，聚焦温度可达700℃，十分适用于布雷顿循环，通过布雷顿循环和v型吸收壁腔式太阳能吸收器的配合，与s-co2循环耦合，对太阳能的热利用大大提高，热损大幅度减小，碟式太阳能系统的发电效率大大提高。

上述实施例为实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。