专利名称：一种被动式熔融盐吸热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能塔式热发电系统的装置，特别涉及一种被动式熔融盐吸热器。
背景技术：
太阳能塔式热发电站是利用众多定日镜将太阳直射辐射反射并聚集到置于吸热塔上的太阳 能吸热器中，然后借助传热工质水、空气、液态金属或熔融盐等将辐射能转变为吸热器输出的 热能。吸热器是塔式热发电系统的核心部件，其年安全工作时数决定了整个电站的年工作时间 和年发电量。吸热器可以是平板式或者柱体式。已有吸热器的吸热壁面一般是由列管组成，内 有传热流体对流换热。列管的表面覆盖有高太阳能吸收率的膜层。列管之间可以是串连的也可 以是并联的。由于定日镜存在光学误差，以及太阳位置随时间的变化，投射到吸热体表面的太 阳辐射在吸热体表面分布是不均匀的且还随时间变化。这种非均匀的反射太阳辐射使得吸热体 存在大的热应力，对吸热器的安全性和使用寿命造成直接影响。改善这些不利因素一般有如下 方法； 一是利用调整定日镜来使投射到吸热器表面的能流密度分布均匀；二是在吸热器的太阳 辐射能流入口处安装一个二次聚光器，该聚光器通过特殊曲面对光的二次反射将入射的光流变 的均匀；三是采用吸热管内强化换热方式将高温消除，使得吸热管各处温度均匀。世界各国对 此展开了诸多研究。美国专利US5850831公开了一种以熔融盐为传热流体的，管内缠绕金属带 来强化换热的管式吸热器，该吸热器采取的强化换热措施可以使得吸热面可以用直径较大的管 子，这样一来，吸热器的用钢量就比密排小的光滑管时有所减少，可以降低成本。但是由于采 用这种方法带来的不利因素是导致吸热管内流动阻力显著增加。美国专利US5862800公开了一 种以熔融盐为传热流体的，使用625合金钢作为吸热体的吸热器。由于金属的膨胀系数低，耐 高温(在605。C下长期工作)，耐热疲劳性能好。因此可以提高吸热器表面的热流密度，提高吸 热器的寿命，降低成本。美国专利US670I71IBI公开了一种以熔融盐为传热流体的吸热器的冷 却系统。该系统用于防止过热等事故发生。美国专利2006/0179840Al公开了一种用于碟式聚光 器的熔融盐吸热器。多个碟/吸热器的组合,给盐罐中加注热盐。中国发明专利公开号101050355 公开了一种熔融盐传热蓄热介质及其制备方法。所述熔融盐传热蓄热介质包括硝酸钾、硝酸钠、 亚硝酸钠和添加剂，其中，所述添加剂由质量比为(0.1 0.8) :1的硝酸铯和氯化钾组成。上述 专利均是在熔融盐材料的制备，吸热体金属材料的选取和吸热管强化换热方式等方面的发明， 且高温的熔融盐换热循环都需要用到熔融盐泵，并消耗泵功。
发明内容
本发明的目的是克服太阳能塔式热发电技术中，由于太阳能非稳态、非均匀分布，且高热 流密度的特点，而致使吸热器表面形成局部"热斑"的问题，提出一种采用被动式自然循环方式 运行的熔融盐吸热器。本发明取消换热回路的高温熔融盐循环泵，利用换热工质熔融盐的密度 差，采自然循环方式来加热熔融盐，被动式自动适应和改善吸热器表面局部"热斑"的现象。本 发明也可以克服现有技术中高温熔融盐泵的技术难题。
本发明的被动式熔融盐吸热器由吸热管、耐热保温层、高温熔融盐罐、上集联管、下集联 管等主要部件组成。吸热管在吸热器中的布置形式可以是腔体式也可以是柱体式，吸热管表面 有耐高温太阳能选择性吸收涂层。高温熔融盐罐位于吸热管组成的吸热单元上方。由多支吸热 管组成的吸热单元正面朝向定日镜场，吸热单元背后装有耐热保温层。高温熔融盐罐的外侧装 有耐热保温层。吸热单元上部为上集联管，上集联管与高温熔融盐罐靠上升管连接。吸热单元 下部为下集联管，下集联管与高温熔融盐罐靠回流管连接，形成熔融盐自然循环回路。熔融盐 填充于吸热管与高温熔融盐罐中。
经定日镜场反射聚集的太阳辐射到达吸热单元表面后，被吸热管表面的耐高温选择性吸收 涂层吸收并转换为热能。吸热管中的熔融盐受热后密度降低，受浮升力作用上升，进入上部的 高温熔融盐罐，高温熔融盐罐内的熔融盐，盐罐上部温度高，下部温度低，由于温度不同而产 生分层，因此高温熔融盐罐下部密度较大的熔融盐，依靠重力作用向下经回流管流入吸热管中， 形成熔融盐在吸热管与高温熔融盐罐之间的自然循环。由于非均匀热流在吸热管表面产生的"热 斑"发生的位置和时间无法人为的准确掌控，这种自然循环的被动式熔融盐吸热器可以自动适应 吸热管表面的"热斑"，在"热斑"发生处，由于热流密度高导致管内局部熔融盐温度迅速升高，在 此过程中高温的熔融盐密度变小，迅速上升流动，而密度相对较大的低温熔融盐同时填补过来 进行换热，如此循环。利用这种方式可以通过自然循环自行的调节吸热管内各个不同位置的流 动和换热，以在板面形成比较均匀的温度场，减少热应力，保证了吸热器的安全性。本发明利 用熔融盐的自然循环，被动式响应的特点，因此本发明被动式熔融盐吸热器具有安全可靠，运 行控制简便，使用温度范围宽的特点。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
图l本发明吸热器结构示意图2本发明吸热器中的高温熔融盐罐结构示意图3由本发明组成的被动充放热系统示意图4本发明吸热器中吸热管与集联管的连接方式示意图；图5本发明吸热器腔体式结构示意图，图5a是腔体式吸热器侧视示意图，图5b是腔体式 吸热器正视示意图6本发明吸热器外置式结构示意图，图6a是吸热管1经串并联组成的吸热模块侧视示意 图，图6b是吸热器外置式结构俯视示意图。
图中1吸热管，2耐热保温板，3下集联管，4上集联管，5上升管，6熔融盐罐体，7 耐热保温层，8阀门A, 9回流管，10阀门B， 11阀门C， 12高温熔融盐罐，13阀门D， 14 阀门E, 15阀门F， 16翅片，17阀门G， 18排气阀A, 19排气阀B， 20总控排气阀C， 21 输盐管，22阀门J， 23熔融盐泵，24熔融盐蓄热罐，25换热盘管，26水泵，27电加热器， 28热电偶，29阀门H， 30阀门I， 31外保温层，32热辐射反射板，33支架，34回盐管， 35上盐管，36阀门K， 37阀门L， 38阀门M， 39塔架。
具体实施例方式
图l是本发明吸热器结构示意图。如
图1所示，本发明吸热器包括吸热管l、耐热保温板2、 高温熔融盐罐12、上集联管4、下集联管3等部件。吸热管1外表面装有翅片16,并有耐高温太阳 能选择性吸收涂层，多支吸热管l经串联或并联组成吸热表面。吸热表面正对定曰镜场，吸热表 面背后装有耐热保温板2。吸热管1上部为上集联管4，上集联管4与高温熔融盐罐12靠上升管5连 接。吸热管1下部为下集联管3，下集联管3与高温熔融盐罐12靠回流管9连接。高温熔融盐罐12 位于吸热管l上方。上升管5与回流管9分别安装于高温熔融盐12的左右两侧。 一个由多支吸热管 1通过串并联组成的吸热面可以配合两个或两个以上高温熔融盐罐12使用，进行连续充放热，如 高温熔融盐罐A和高温熔融盐罐B。上升管5装有阀门C11与阀门E14。回流管9装有阀门A8与阀 门F15。高温熔融盐罐A顶部的排气管上装有排气阀A18。高温熔融盐罐B顶部的排气管上装有排 气阀B19。两排气管受总控排气阀C20控制。高温熔融盐罐A下面安装的排盐管上装有阀门D13。 高温熔融盐罐B下面安装的排盐管上装有阀门G17。熔融盐填充于吸热管l，上升管5，回流管9 与高温熔融盐罐12内。
经定日镜场反射聚集的太阳辐射到达吸热表面后，被吸热管l表面的耐高温选择性吸收涂层 吸收并转换为热能。吸热管l中的熔融盐受热后密度降低，受浮升力作用上升，进入上部的高 温熔融盐罐12，高温熔融盐罐12上部的熔融盐温度高，下部的熔融盐温度低，高温熔融盐罐12 内的熔融盐由于温度差产生的密度差而导致上下分层，因此高温熔融盐罐12下部密度较大的熔 融盐，依靠重力作用向下经回流管9流入吸热管1中，如此形成熔融盐在吸热管l与高温熔融盐罐 12之间的自然循环。
图2是本发明吸热器中的高温熔融盐罐结构示意图。高温熔融盐罐由熔融盐罐体6、耐热保 温层7、电加热器27、阀门Cll、阀门A8、阀门D13及排气阀A18等主要部件组成。耐热保温层7包裹在熔融盐罐体6外侧。熔融盐罐体6的底部及侧壁多处装有K型铠装热电偶28,用于 检测熔融盐的温度。多个电加热器27由熔融盐罐体6顶部插入罐内，在必要的工况下预热熔融 盐，防止熔融盐在罐内冷却凝固。阀门Cll与阀门A8分别装在熔融盐罐体6的两侧，阀门Cll 与阀门A8在熔融盐自然循环时开启，构成循环回路。熔融盐罐体6底部装有阀门D13，顶部装 有排气阀A18，阀门D13和排气阀A18在熔融盐充入和排空时开启。
图3是由本发明组成的被动充放热系统示意图。被动式熔融盐吸热器可以与输盐管21、回 盐管34、上盐管35和阀门J22、阀门130、阀门K36、阀门L37、熔融盐蓄热罐24和熔融盐泵 23组成熔融盐被动充放热系统。其中吸热器部分安装于塔架39的顶部或某一高度处。熔融盐泵 23与熔融盐蓄热罐24布置在塔架39底部的地面上。输盐管21布置在塔架39内部。熔融盐蓄 热罐24下部温度较低的熔融盐，依靠熔融盐泵23，经输盐管21被充入到吸热管l中。此充放 热系统在太阳能塔式热发电系统中应用时，在吸热管1中，熔融盐吸收太阳辐射温度升高，靠 浮升力的作用进入高温熔融盐罐12,靠自然循环到设定温度，靠重力作用或惰性气体吹扫，从 高温熔融盐罐12中出来的高温熔融盐，经输盐管21和回盐管34返回到熔融盐蓄热罐24的上 部。在熔融盐蓄热罐24内的上部有换热盘管25。液态水经水泵26打入换热盘管25中，受热直 接产生某一参数的过热蒸汽。当阀门K36关闭，阀门J22，阀门130，阀门L37打开，同时打开 熔融盐泵23时，可对罐内熔融盐进行强制循环。这样有助于防止容器24底部的熔融盐凝固， 也可以强化熔融盐与换热盘管25的对流换热。
连续充放热系统可由一个吸热表面对应两个或两个以上高温熔融盐罐12组成，本实例采用 2个高温熔融盐罐高温熔融盐罐A和高温熔融盐罐B。在高温熔融盐罐12顶部装有排气阀， 如排气阀A18、排气阀B19和总控排气阀C20。排气管路与保护性气体容器连接，如氮气，氩 气等。进入熔融盐容器的气体要求被预热到熔融盐的熔点以上。连续充放热系统工作过程如下
一、回路首次充盐操作
启动安装在高温熔融盐罐12以及输盐管21、上盐管35中的电辅助加热对相对应的容器、 阀门和管道进行预热。此时，吸热器中的阀门A8，阀门BIO，阀门Cll，阀门E14,阀门F15 等处于关闭状态，排气阀A18，排气阀B19，排气阀C20处于常开，阔门D13、阀门G17打开， 管路中的阀门I30，阀门K36打开，阀门J22关闭。当高温熔融盐罐12和各熔融盐管路、各阀 门的温度达到熔融盐蓄热罐24底部熔融盐的温度以上约5CrC时，打开阀门L37，开动熔融盐泵 23，熔融盐从瑢融盐蓄热罐24流出，依次经过上盐管35，输盐管21和阀门L37，阀门130，阀 门K36，阀门D13，阔门G17等充入高温熔融盐罐A与高温熔融盐罐B。当高温熔融盐罐A和 高温熔融盐罐B中的熔融盐到达设定液位时，熔融盐泵23停止运行，同时阀门D13，阀门F17, 阀门130，阀门L37关闭，完成首次充盐过程。排气阀A18、排气阔B19和总控排气阀C20在整个过程中始终保持打开状态。
二、 回路运行操作
用部分定日镜将吸热管1加热到高温熔融盐罐12中熔融盐温度以上5(TC后，开启阀门B10， 阀门Cll，阀门D13，关闭阀门E14。熔融盐在吸热管1内吸收太阳能后温度升高密度减小，靠 浮升力作用经阀门Cll进入高温熔盐罐A的上部。高温熔融盐罐A中的熔融盐由于温度差产生 密度差，在高温熔盐罐A中自动分层，温度较低、密度较高的熔融盐在高温熔融盐罐A的下部， 经重力作用，由阀门A8进入吸热管1形成自然循环换热。当高温熔融盐罐A内的熔融盐温度 达到限定温度时，阀门A8和阀门Cll关闭。阀门E14、阀门F15开启，吸热管l与高温熔融盐 罐B又构成自然循环回路，开始连续换热过程。此时，将阀门D13， K36和J22打开，阀门130 关闭，高温熔融盐罐A中的高温熔融盐靠重力作用也可用氮气或惰性气体等吹扫，经阀门D13 进入熔融盐蓄热罐24的上部。排气阀A18、排气阀B19和总控排气阀C 20在整个过程中始终 保持打开状态。
三、 高温熔融盐罐A单罐充盐操作
高温熔融盐罐A中的热盐泄空后，需要再次进行充盐操作。充盐过程如下，阀门BIO、阀 门A8和阀门Cll处于关闭状态，阀门D13、阀门130、阀门K36和阀门L37打开。启动熔融盐 泵23将熔融盐蓄热罐24中的熔融盐泵入高温熔融盐罐A中。当高温熔融盐罐A中熔融盐达到 设定液位后，关闭熔融盐泵23，关闭阀门D13、阀门130、阀门K36和阀门L37。排气阀A18、 B19和总控排气阀C 20在整个过程中始终保持打开状态。
四、 高温熔融盐罐B单罐充盐操作
高温熔融盐罐B中的热盐泄空后，也需要再次进行充盐操作。充盐过程如下，阀门BIO、 阀门E14和阀门F15处于关闭状态，阀门D17，阀门130，阀门K36和阀门L37打开，启动熔 融盐泵23将熔融盐蓄热罐24中的熔融盐泵入高温熔融盐罐B中。当高温熔融盐罐B中熔融盐 达到设定液位后，关闭熔融盐泵23，关闭阀门D17、阀门130、阀门K36和阀门L37。排气阀 A18、排气阀B19和总控排气阀C 20在整个过程中始终保持打开状态。
在此系统中，输盐管21为熔融盐在吸热器与高温熔融盐罐12充盐与排空时的共用管道， 较以往熔融盐系统，减少了一根垂直的连接塔顶吸热器与地面的熔融盐输送主管道。
图4是本发明吸热器中吸热管1与集联管的连接方式示意图。本发明吸热器中每支吸热管1 与上集联管4之间的连接可以有阀门H29，吸热管1与下集联管3之间的连接可以有阀门M38。 阀门的开度可以手动控制，也可以根据读取吸热管1表面温度检测的反馈信号来实现自动控制。 该阀门可以在某根吸热管发生泄露时及时关闭该根管路，而其它管路仍然可正常运行。当吸热 管l表面温度低时，阀门H29与阀门M38的开度变小，当吸热管1的壁面温度高时，阀门H29与阀门M38的开度加大。如果当发生单根管路金属熔化的泄漏事故时，对应该管路的阀门H29 与闽门M38同时关闭。如果是多个根吸热管1发生过温，那么首先移开定日镜，然后关闭阀门 A8或FI5。吸热管1与上集联管4、下集联管3的连接处也可以没有阀门，直接进行连接，靠 熔融盐自然循环来适应吸热管1表面分布的非稳态、非均匀热流，吸热管1外侧表面可以装有 翅片16强化换热。
图5是本发明吸热器腔体式结构示意图。图5a是腔体式吸热器侧视示意图。吸热管1组成 的吸热表面位于吸热器腔体内部，吸热表面背后装有耐热保温板2。吸热腔内部上下表面及左右 侧面装有热辐射反射板32。图5b是腔体式吸热器正视示意图。吸热器腔体只有一个侧面有开口， 且开口面向定日镜场，其余各表面均封闭，且封闭表面均装有外保温层31。吸热腔内部有阻止 自然对流的分层措施，例如在吸热器腔体内，吸热表面前方布置与地面平行挡板、垂直地面挡 板和内置多孔介质块和孔板等，用来分隔和减弱吸热器腔体内部的空气大规模运动，从而减弱 空气与吸热管l的换热，减少吸热管的散热损失。吸热腔外侧装有外保温层31。太阳光经定
曰镜反射后进入吸热器腔体，大部分直接投射到吸热管1面向定日镜场的外表面，也有部分定 日镜反射过来的太阳光直接投射到腔体内侧的热辐射反射板32上，经二次反射后投射到吸热管 l表面。这种吸热管l布置形式，适用于定日镜围绕塔呈扇形布置的定日镜场。
图6是本发明吸热器外置式结构示意图。图6a是吸热管1经串并联组成的吸热模块侧视示 意图。吸热管1组成的吸热表面背后装有耐高温保温板2。吸热管1被固定在支架33上。图6b 是吸热器外置式结构俯视示意图。吸热管1组成的吸热表面布置在柱体支架外侧。柱体支架可 以是圆柱体，也可以是多边棱柱体。这种布置形式适用于定日镜围绕塔呈圆周布置的镜场。
权利要求
1.一种被动式熔融盐吸热器，其特征在于该吸热器包括吸热管(1)、耐热保温板(2)、熔融盐罐体(6)、耐热保温层(7)、下集联管(3)、上集联管(4)；熔融盐罐体(6)位于多支吸热管(1)通过串联或并联组成的吸热表面上方；吸热表面正对定日镜场，吸热表面背后装有耐热保温板(2)；熔融盐罐体(6)外侧包裹耐热保温层(7)，熔融盐罐体(6)及其外侧包裹的耐热保温层(7)组成高温熔融盐罐(12)；吸热管(1)上方为上集联管(4)，上集联管(4)与熔融盐罐体(6)通过上升管(5)连接；吸热管(1)下方为下集联管(3)，下集联管(3)与熔融盐罐体(6)通过回流管(9)连接，形成熔融盐自然循环回路。
2. 按照权利要求l所说的被动式熔融盐吸热器，其特征在于高温熔融盐罐(12)包括熔融盐罐 体(6)、耐热保温层(7)、电加热器(27)、阀门C (11)、阀门A (8)、阀门D (13)及排气阀A(18);熔融盐罐体(6)的底部及侧壁多处均装有热电偶(28);多个电加热器(27)由熔融盐 罐体(6)顶部插入熔融盐罐体(6)内；阀门C (11)与阀门A (8)分别装在熔融盐罐体(6) 的两侧，阀门C (11)与阀门A (8)在熔融盐自然循环时开启，构成循环回路；熔融盐罐体(6) 底部装有阀门D (13)，顶部装有排气阀A (18);阀门D (13)和排气阀A (18)在熔融盐充入 和排空时开启；排气阀A(18)与充氮气或者惰性气体的恒压容器连接。
3. 按照权利要求l所说的被动式熔融盐吸热器，其特征在于一个由多支吸热管(1)通过串 并联组成的吸热面配合两个或两个以上高温熔融盐罐(12)使用，进行连续充放热。
4. 按照权利要求l所说的被动式熔融盐吸热器，其特征在于吸热器与输盐管(21)、回盐管 (34)、上盐管(35)和阀门J(22)、阈门1(30)、阀门K(36)、阀门L(37)和熔融盐泵(23)组成熔融盐被动 吸热系统；吸热器安装于塔架(39)的顶部或某一高度处；熔融盐泵(23)与熔融盐蓄热罐(24) 布置在塔架(39)底部的地面上，输盐管(21)布置在塔架(39)内部；在熔融盐蓄热罐(24) 内的上部有换热盘管(25);吸热器中的熔融盐罐体(6)的底部通过阀门J(22)和阀门K(36)与熔融 盐蓄热罐(24)的上部连接；连接熔融盐罐体(6)和熔融盐蓄热罐(24)的输盐管(21)为单根。
5. 按照权利要求4所说的熔融盐被动吸热系统，其特征在于阀门J(22)、阀门I(30)和阀门K(36) 也可以用一个三通阀门代替。
6. 按照权利要求l所说的被动式熔融盐吸热器，其特征在于熔融盐罐体(6)、上升管(5)、 回流管(9)、输盐管(21)、上盐管(35)、回盐管(34)均带有辅助加热保温装置，吸热管(1) 无辅助电加热保温装置。
7. 按照权利要求l所说的被动式熔融盐吸热器，其特征在于吸热管(1)表面有耐高温的太 阳能选择性吸收涂层；吸热管(！)布置在吸热器腔体内，构成腔体式吸热器，或直接暴露在环境中，构成外置式吸热器。
8. 按照权利要求7所说的被动式熔融盐吸热器，其特征在于腔体式布置时，吸热器腔体内 部有阻止自然对流的分层措施。
9. 按照权利要求l所说的被动式熔融盐吸热器，其特征在于吸热器的每支吸热管(l)与下集 联管(3)、上集联管(4)之间的连接可以采用阀门自动调节流量和开闭，吸热管(1)外侧有 翅片(16)。
全文摘要
一种被动式熔融盐吸热器，包括吸热管(1)、耐热保温板(2)、熔融盐罐体(6)、耐热保温层(7)、下集联管(3)、上集联管(4)；熔融盐罐体(6)位于多支吸热管(1)组成的吸热表面上方。吸热表面正对定日镜场，吸热表面背后装有耐热保温板(2)。熔融盐罐体(6)外侧包裹耐热保温层(7)，熔融盐罐体(6)及其外侧包裹的耐热保温层(7)组成高温熔融盐罐(12)。上集联管(4)与熔融盐罐体(6)通过上升管(5)连接；吸热管(1)下方为下集联管(3)，下集联管(3)与熔融盐罐体(6)通过回流管(9)连接，形成熔融盐自然循环回路。一个吸热表面可以配合多个高温熔融盐罐(12)使用，形成连续吸热与充放热的过程。
文档编号F24J2/07GK101298944SQ20081010239
公开日2008年11月5日 申请日期2008年3月21日 优先权日2008年3月21日
发明者吕珂可, 春 常, 鑫 李, 王志峰, 白凤武 申请人:中国科学院电工研究所