本发明涉及一种太阳能热发电用吸热器，特别涉及一种固体颗粒吸热器。
背景技术：
提高太阳能热发电的效率是降低电站成本的主要方法之一，塔式电站由于聚光比可达1000以上，能够有效提高工质的运行参数，因此在提高发电效率方面具有较大的潜力。传统的吸热工质如水蒸气/导热油、熔融盐/液态金属等受工作温度和化学稳定性所限，在提高发电效率和降低发电成本方面效果有限。固体颗粒由于具有承受温度高、性能稳定、价格低廉、比热大的优势，为驱动超超临界蒸汽动力循环、超临界co2布雷顿循环甚至燃气-蒸汽联合循环提供了可能，可能极大地降低发电成本。
当前国内外围绕固体颗粒吸热器进行了诸多研究，主要集中在美国、德国、法国、澳大利亚、沙特阿拉伯、中国等，主要的固体颗粒吸热器型式有自由下落式、延缓下落式、旋转窑式、流化床式等几种，其中延缓下落式吸热器由于能够有效增加固体颗粒受辐射时间，因而被广泛认为是最有前途、最有可能大型化的技术。
美国专利us9732986b2公布了一种在流道中使用多孔介质延缓固体颗粒下落速度并强化换热的方法，但是缺点在于会造成多孔介质的堵塞。美国专利us2015300692a1公布了一种用规则排列的六棱柱结构延缓固体颗粒下落的颗粒吸热器，固体颗粒在六棱柱之间的缝隙向下流动，阻碍物的制造方法较为复杂。美国专利us20120132398公布了一种倒v型金属结构延缓固体颗粒下落的颗粒吸热器，但是缺点在于会造成阻碍物的破坏。中国专利cn105135716a公布了一种带内插件的管式固体颗粒吸热器，固体颗粒在管内螺旋旋转插件上自上而下流动，有效地增加了颗粒的辐射停留时间，但是存在固体颗粒流动堵塞的不足。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的以下缺点，提出一种太阳能热发电用延缓下落式固体颗粒吸热器：
(1)自由下落式颗粒吸热器中固体颗粒辐照停留时间较短，颗粒温升不高；
(2)延缓下落式颗粒吸热器中流通通道堵塞，阻碍物破坏。
本发明以螺旋形石英玻璃管组件作为固体颗粒下落流通通道。与自由下落式颗粒吸热器相比，在相同的下落高度下，螺旋形石英玻璃管组件延长了固体颗粒下落流通通道的长度，降低了固体颗粒下落速度，因此显著地增加固体颗粒的辐照停留时间，提高了固体颗粒单次下落过程的温升。
本发明包括螺旋形石英玻璃管组件、固体颗粒、外保温层、低温颗粒储罐、低温颗粒储罐出口阀门、高温颗粒储罐入口阀门、高温颗粒储罐、电机、通风机、空气过滤器、主气流调节阀、高温颗粒储罐出口回路气流金属滤网、低温颗粒储罐出口回路气流金属滤网、颗粒分配器、颗粒收集器、进口导流段和出口导流段。固体颗粒装在螺旋形石英玻璃管组件内。外保温层包围螺旋形石英玻璃管组件的外周，位于背向辐射能流的一面。进口导流段安装在螺旋形石英玻璃管组件的上部；出口导流段安装在螺旋形石英玻璃管组件的下部。颗粒分配器置于进口导流段的上方；颗粒收集器置于出口导流段的下方。低温颗粒储罐置于颗粒分配器的上方；高温颗粒储罐置于颗粒收集器的下方。低温颗粒储罐出口阀门安装在低温颗粒储罐和颗粒分配器之间；高温颗粒储罐入口阀门安装在颗粒收集器和高温颗粒储罐之间。通风机置于外保温层的背光侧，通风机的出口通过主气流管道与进口导流段连接，主气流管道位于颗粒分配器的下部。电机与通风机同轴相连，通风机位于电机与主气流管道之间。空气过滤器与通风机的入口相连。通风机的出口和主气流管道之间连接有主气流调节阀。通风机的出口气流在主气流管道中经过主气流调节阀，与在重力驱动下流出颗粒分配器的低温固体颗粒混合。高温颗粒储罐出口回路气流金属滤网、低温颗粒储罐出口回路气流金属滤网分别安装在高温颗粒储罐的出口和低温颗粒储罐的出口。
所述的螺旋形石英玻璃管组件由两根以上螺旋形石英玻璃管缠绕组成。单根螺旋形石英玻璃管的螺距l与螺旋形石英玻璃管外径d之间关系为：
l/d≥1
当两者比值为1时，单根螺旋形石英玻璃管漏光最少，但螺旋升角α较小，固体颗粒下落阻力很大；两者比值越大，螺旋形石英玻璃管漏光越多，螺旋升角α越大，固体颗粒下落阻力越小。因此需采用两根以上螺旋形石英玻璃缠绕组成螺旋形石英玻璃组件，以保证较小的漏光面积。但也需综合考虑颗粒下落流动阻力，l/d也不宜过小。因此螺旋形石英玻璃管的螺距l与螺旋形石英玻璃管外径d还应满足：
l/d≤4
螺旋形石英玻璃管的回转半径为r，则螺旋升角α可以表示为：
r/d≥0.5
当螺旋升角α大于休止角θr时，固体颗粒能够仅依靠重力驱动在螺旋形石英玻璃管中下落，但颗粒下落流速过快，在管内受辐射停留时间较短。同时由于颗粒下落流速过快还导致下落过程中固体颗粒无法填满螺旋石英玻璃管，造成透光损失。当螺旋升角α小于休止角θr时，固体颗粒在螺旋形石英玻璃管中下落流速较慢，在管内受辐射停留时间较长，下落过程中能够填满螺旋石英玻璃管，获得较高的吸热效率，但需要借助额外动力驱动固体颗粒下落。螺旋升角α与休止角θr之差越小，所需额外动力驱动能耗越小，因此所选单根螺旋形石英玻璃管的螺旋升角α与固体颗粒休止角θr之间的关系满足：
α＝θr-(1°～5°)
对平均直径d为1mm的球形玻璃珠而言，休止角θr≈22°，颗粒平均直径d越大，休止角θr越小。螺旋形石英玻璃管的回转半径r过大时，螺旋升角α过小，颗粒下落流动阻力过大；螺旋形石英玻璃管的回转半径r过小时，螺旋流道较短，固体颗粒在管内下落停留时间较短，因此回转半径r的选择需要综合考虑颗粒下落流动阻力和停留时间两方面的因素。
本发明采用低流量、低压力主气流驱动固体颗粒在螺旋形石英玻璃管组件内下落，以降低气力输运的能耗。但为保证固体颗粒能够在螺旋形石英玻璃管内连续下落，主气流参数也不宜过低；为保证固体颗粒吸热器的系统安全，主气流参数也不能过高。固体颗粒在主气流和重力的共同驱动力下在螺旋形石英玻璃管缓慢下落，有利于固体颗粒充分吸热。为获得较高的出口颗粒温度，螺旋管在高度方向上应处于投射辐射能流分布的范围内。
本发明采用通风机产生低流量、低压力主气流。使用空气过滤器滤清进入通风机中空气所含机械杂质和水分，防止机械杂质和水分与固体颗粒混合，增加固体颗粒流动阻力致使螺旋形石英玻璃管堵塞。电机为通风机运行提供所需动力，通风机低参数运行，气力输运功耗较小。
本发明采用颗粒分配器调节进入螺旋形石英玻璃管组件的固体颗粒流量，使固体颗粒均匀地进入螺旋形石英玻璃管组件；采用颗粒收集器调节流出螺旋形石英玻璃管组件的固体颗粒流量，使固体颗粒均匀地流出螺旋形石英玻璃管组件。颗粒分配器和颗粒收集器用于调节石英玻璃管束内的颗粒流动形态、颗粒流量以及固体颗粒在石英玻璃管束内的停留时间，保证固体颗粒的流动形态为密集流，使固体颗粒在连续均匀流动过程中始终填满螺旋形石英玻璃管组件，避免出现稀疏流，造成透光损失。
固体颗粒在高温下化学稳定性和流动性良好，其形状可为规则球形、椭球形或其他形状，直径范围为100微米-2毫米。优选的固体颗粒有碳化硅颗粒、烧结铝矾土颗粒、陶瓷颗粒、硅石颗粒等，使用过程中可采用单一粒径也可采用多种粒径。为了提高传热效率，固体颗粒应选用具有较高导热系数的材料。为了降低颗粒的磨损率，固体颗粒应具有较高的硬度，但也需综合考虑与其传输管道间的磨损，其硬度也不宜过大。为增强固体颗粒对太阳光及周围高温颗粒热辐射的吸收，固体颗粒应具有较高的辐射吸收比，且颗粒的辐射吸收比随颗粒温度和辐照时间变化不大。
高温颗粒储罐出口回路气流金属滤网、低温颗粒储罐出口回路气流金属滤网用于滤清回路气流中的固体颗粒，两个金属滤网的孔径均小于固体颗粒的平均直径，在高温下不发生变形。主气流空气在螺旋形石英玻璃管中吸热升温，进入高温固体颗粒储罐中，高温空气若直接排空必将造成热量的浪费，存储于高温固体颗粒储罐中又势必造成储罐压力的升高，不利于系统安全运行。因此将该部分高温空气作为回路气流，将余热在低温颗粒储罐中释放后回到通风机入口。
本发明颗粒吸热器具有如下优点：
(1)螺旋形石英玻璃管组件延长了固体颗粒下落流通通道的长度，降低了固体颗粒下落速度，因此显著地增加固体颗粒的辐照停留时间，提高了固体颗粒单次下落过程的温升；
(2)由于显著增加固体颗粒的辐照停留时间，有充分时间保证管内向光侧高温颗粒通过热传导和热辐射将热量传输给管内背光侧颗粒；
(3)下落过程中固体颗粒流动轨迹可控，不受外部环境影响，无颗粒逸散；
(4)下落过程中固体颗粒的流量可调，能够适应外部辐射能流强度波动；
(5)螺旋形石英玻璃管内固体颗粒下落过程中引入气流能够强化颗粒间的换热，使颗粒温度分布更加均匀，同时能够避免颗粒流动过程中堵塞管道；
(6)优化螺旋石英玻璃管的结构设计能够极大地降低甚至避免漏光损失和透光损失，获得较高的吸热效率；
(7)高温空气余热回收，增加了吸热器效率。
本发明的工作过程如下：
经聚光设备收集的聚光辐射能流投射至螺旋形石英玻璃管组件的外表面，较少部分聚光辐射能流被反射和被吸收，绝大部分聚光辐射能流经由螺旋形石英玻璃管组件的外表面进入螺旋形石英玻璃管组件内部，被螺旋形石英玻璃管组件内下落的管内向光侧固体颗粒所吸收，聚光辐射能转化为管内向光侧固体颗粒的热能，管内向光侧固体颗粒温度升高。同时由于颗粒之间紧密接触，管内向光侧高温固体颗粒通过热传导和热辐射的方式将热量传递给管内背光侧的固体颗粒。由于固体颗粒粒径较小，其直径范围为100微米-2毫米之间，因此固体颗粒和螺旋形石英玻璃管组件内表面以及固体颗粒和固体颗粒之间的接触面积较大，有利于固体颗粒的吸热以及固体颗粒之间的热量传递。
运行前，开启低温颗粒储罐出口阀门，低温颗粒储罐中存储的低温固体颗粒在重力作用下进入颗粒分配器。开启通风机出口的主气流调节阀，主气流进入螺旋形石英玻璃管中。然后调节颗粒分配器，颗粒分配器中固体颗粒在重力和主气流共同驱动下均匀地进入螺旋形石英玻璃管组件中各螺旋形石英玻璃管，当固体颗粒填满旋形石英玻璃管组件时，颗粒收集器开始收集离开螺旋形石英玻璃管组件的固体颗粒。根据投入辐射能流调节颗粒收集器和主气流参数确定螺旋形石英玻璃管内固体颗粒流量。根据电机转速和主气流阀门开度调节主气流参数，在尽可能降低通风机耗功的前提下，保证螺旋石英玻璃管组件内固体颗粒能够在重力和气流驱动力的共同作用下在管内缓慢下落。调节颗粒收集器和主气流的参数，保证固体颗粒在螺旋石英玻璃管组件内连续下落的过程中始终填满螺旋石英玻璃管组件，避免透光损失，投射在螺旋石英玻璃管组件的辐射能流被自上而下流动的固体颗粒充分吸收。固体颗粒在螺旋形石英玻璃管组件内连续均匀流动，有助于带走螺旋形石英玻璃管组件吸收的热量，有利于吸热器的安全稳定运行。由于固体颗粒在螺旋形石英玻璃管组件内受辐照时间较长，在高聚光比辐射能流密度条件下固体颗粒可以被加热到800℃以上，固体颗粒吸热升温后由螺旋形石英玻璃管组件底部流出螺旋形石英玻璃管，进入颗粒收集器。开启高温颗粒储罐入口阀门，高温固体颗粒进入高温固体颗粒储罐存储。加热后的高温空气被固体颗粒携带进入高温固体颗粒储罐中，高温空气作为回路气流，在低温颗粒储罐中释放热量后回到通风机入口，形成气流环路。
本发明结构简单，可按照需求设计固体颗粒的直径大小和螺旋形石英玻璃管的结构参数，同时调整主气流参数，可以实现在较小耗功的条件下，实现投入聚光辐射能流的高效吸收，并可以实现固体颗粒温度的最大化。
附图说明
图1为本发明太阳能热发电用延缓下落式固体颗粒吸热器结构示意图；
图2a为螺距l与外径d之比为2的螺旋形石英玻璃管俯视图；
图2b为螺距l与外径d之比为2的螺旋形石英玻璃管左视图；
图2c为螺距l与外径d之比为2的螺旋形石英玻璃管主视图；
图3a为两根螺距l与外径d之比为2的螺旋形石英玻璃管缠绕俯视图；
图3b为两根螺距l与外径d之比为2的螺旋形石英玻璃管缠绕左视图；
图3c为两根螺距l与外径d之比为2的螺旋形石英玻璃管缠绕主视图；
图4为小型太阳能热发电站运行原理图；
图5a为大型太阳能热发电站运行原理图；
图5b为大型太阳能热发电站中固体颗粒和空气在吸热器内流动方式之一示意图；
图5c为大型太阳能热发电站中固体颗粒和空气在吸热器内流动方式之二示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明延缓下落式固体颗粒吸热器包括螺旋形石英玻璃管组件1、固体颗粒2、外保温层3、低温颗粒储罐5、低温颗粒储罐出口阀门7、高温颗粒储罐入口阀门8、高温颗粒储罐10、电机11、通风机12、空气过滤器13、主气流调节阀14、高温颗粒储罐出口回路气流金属滤网15、低温颗粒储罐出口回路气流金属滤网16、颗粒分配器17、颗粒收集器18、进口导流段19及出口导流段20。固体颗粒2装在螺旋形石英玻璃管组件1内。外保温层3包围螺旋形石英玻璃管组件1的外周，位于背向辐射能流的一面。进口导流段19安装在螺旋形石英玻璃管组件1的上部；出口导流段20安装在螺旋形石英玻璃管组件1的下部。颗粒分配器17置于进口导流段19的上方；颗粒收集器18置于出口导流段20的下方。低温颗粒储罐5置于颗粒分配器17的上方；高温颗粒储罐10置于颗粒收集器18的下方。低温颗粒储罐出口阀门7安装在低温颗粒储罐5和颗粒分配器17之间；高温颗粒储罐入口阀门8安装在颗粒收集器18和高温颗粒储罐10之间。通风机12置于外保温层3的背光侧，通风机12出口通过主气流管道与进口导流段19连接，主气流管道位于颗粒分配器17的下部。电机11与通风机12同轴相连，通风机12位于电机11与主气流管道之间。空气过滤器13与通风机12入口相连。通风机12的出口和主气流管道19之间连接有主气流调节阀14，通风机12出口气流在主气流管道19中经过主气流调节阀14与在重力驱动下流出颗粒分配器17的低温固体颗粒混合。高温颗粒储罐出口回路气流金属滤网15安装在高温颗粒储罐10的出口；低温颗粒储罐出口回路气流金属滤网16安装在低温颗粒储罐5)的出口。
运行前，开启低温颗粒储罐出口阀门7，低温颗粒储罐5中低温固体颗粒6在重力作用下进入颗粒分配器17。工作时，开启通风机12出口的主气流调节阀14，主气流与流出颗粒分配器17的固体颗粒混合后，通过进口导流段19进入螺旋形石英玻璃管组件1中。当固体颗粒2填满螺旋形石英玻璃管组件1时，颗粒收集器18开始收集经出口导流段20离开螺旋形石英玻璃管组件1的固体颗粒。固体颗粒在螺旋形石英玻璃管组件1内的下落依靠重力和主气流驱动，根据投入辐射能流4调节颗粒收集器18和主气流参数确定螺旋形石英玻璃管组件1固体颗粒流量，保证固体颗粒连续地流入和流出螺旋形石英玻璃管组件1，完成吸热过程。低温固体颗粒6吸热后成为高温固体颗粒9，在高温颗粒储罐10中存储。高温颗粒储罐中的高温空气依次经过金属滤网15、低温颗粒储罐5、金属滤网16、空气过滤器13回到通风机12的入口，高温空气在低温颗粒储罐5中释放热能成为常温空气被重复利用。
如图2a、图2b和图2c所示，螺距l与d之比为2的单根螺旋石英玻璃管存在漏光面积，当固体颗粒填满螺旋石英玻璃管时，部分聚光辐射在管间空隙散失。
如图3a、图3b和图3c所示，两根螺距l与螺旋石英玻璃管外径d之比为2的螺旋石英玻璃管缠绕时，当固体颗粒填满螺旋石英玻璃管时，辐射漏光面积几乎为零，聚光辐射不会透过管间空隙散失，能够获得较高的吸热效率。同理当l/d等于3时，需要三根螺旋石英玻璃管缠绕，以保证辐射漏光面积为零。
如图4所示，小型太阳能热发电站聚光光斑尺寸较小，以三组并联的螺旋形石英玻璃管组件1代表吸热器。太阳辐照充足时，定日镜场21将太阳光会聚至吸热器上，固体颗粒在重力作用下流出颗粒分配器17与气流27混合后进入吸热器，加热后的固体颗粒和空气进入高温颗粒储罐10，高温固体颗粒9在高温颗粒储罐10中存储。加热后的高温气流经金属滤网15流入蒸汽发生器22内，与经水泵26泵入的高压水换热，高温气流在蒸汽发生器22内释放热量后变为常温空气28，高压水在蒸汽发生器22内吸收热量后变为过热蒸汽输入汽轮机23中做功带动发电机24发电，经汽轮机23做功后的过热蒸汽变为乏汽，经凝汽器25换热后变为液态水，由水泵26泵入蒸汽发生器22，完成热力循环。太阳辐照不足时，气流27进入高温颗粒储罐10，与高温颗粒储罐10中高温固体颗粒9换热后变为高温气流，重复所述热力循环。
如图5a所示，大型太阳能热发电站聚光光斑尺寸较大，为充分吸收聚光辐射，防止吸热器过热，以两行串联的螺旋形石英玻璃管组件1代表吸热器。太阳辐照充足时，定日镜场21将太阳光会聚至吸热器上，固体颗粒在重力作用下流出颗粒分配器17，与气流27混合后进入吸热器，加热后的固体颗粒和空气进入高温颗粒储罐10，高温固体颗粒9在高温颗粒储罐10中存储。加热后的高温气流经金属滤网15流入蒸汽发生器22内，与经水泵26泵入的高压水换热，高温气流在蒸汽发生器22内释放热量后变为常温空气28，高压水在蒸汽发生器22内吸收热量后变为过热蒸汽输入汽轮机23中做功带动发电机24发电，经汽轮机23做功后的过热蒸汽变为乏汽，经凝汽器25换热后变为液态水，由水泵26泵入蒸汽发生器22，完成热力循环。太阳辐照不足时，气流27进入高温颗粒储罐10，与高温颗粒储罐10中高温固体颗粒9换热后变为高温气流，重复所述热力循环。
如图5b所示，大型太阳能热发电站中，固体颗粒在吸热器内先自由下落，后螺旋下落。固体颗粒和空气先流经竖直管道29，由进口导流段19进入螺旋形石英玻璃管组件1，再由出口导流段20流出螺旋形石英玻璃管组件1。竖直管道29位于螺旋形石英玻璃管组件1上方的另一个螺旋形石英玻璃管组件的内部，竖直管道29与进口导流段19的上部连接。固体颗粒和空气在竖直管道29不接受聚光辐射，在螺旋形石英玻璃管组件1内接受聚光辐射。如图5c所示，大型太阳能热发电站中，固体颗粒在吸热器内先螺旋下落，后自由下落。固体颗粒和空气先由进口导流段19进入螺旋形石英玻璃管组件1，再由出口导流段20流出螺旋形石英玻璃管组件1，进入竖直管道29。竖直管道29位于螺旋形石英玻璃管组件1下方的另一个螺旋形石英玻璃管组件的内部，竖直管道29与出口导流段20的下部连接。固体颗粒和空气在螺旋形石英玻璃管组件1内接受聚光辐射，在竖直管道29不接受聚光辐射。