太陽能熱發電站用固體顆粒堆積床式空氣吸熱器的製作方法

2023-05-14 13:46:26

專利名稱：太陽能熱發電站用固體顆粒堆積床式空氣吸熱器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能熱發電站用空氣吸熱器。
背景技術：
太陽能是取之不盡用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年減少、國際能源形勢日趨嚴峻的今天，開發利用太陽能是實現能源供應多元化、保證能源安全的重要途徑之一。塔式熱發電裝置基本原理是利用眾多的定日鏡，將太陽輻射反射到置於塔上的太陽能接收器上，藉助加熱工質產生過熱蒸汽或高溫空氣，驅動發電機組，產生電能。高溫太陽能吸熱器是塔式熱發電系統的核心部件。國外圍繞此項技術進行了諸多研究，主要集中在美國、西班牙、德國、以色列、澳大利亞、韓國等。其中應用較多的是容積式吸熱器，就是一種由三維基體所構成的接收太陽輻射的吸熱體，流過的工作流體與其進行直接的熱交換而被加熱。容積式太陽能吸熱器通常有一個空心殼體，用於容納容積式太陽能吸收裝置，殼體由玻璃透光窗覆蓋，形成封閉的吸熱裝置腔體，腔體可以容納與吸收裝置直接接觸的工作流體，工作流體流過吸熱裝置腔體，從吸收裝置上吸收熱量。美國專利4394859公開了一種以空氣為傳熱流體的柱狀金屬管式吸熱器，該吸熱器對金屬要求較高，系統複雜，成本高，而且許用能流密度較低，難以獲得高溫度的空氣。美國專利4777934公布了採用帶有粒子的壓縮空氣為傳熱流體的太陽能吸熱器，其溫度可被加熱至700°C，該吸熱器無法應用到更高的溫度。美國專利US6668555B1公布了基於吸熱器的太陽能發電系統，採用熱管式太陽能吸熱器，其傳熱工質為空氣，雖然傳熱效率較高，但應用於高溫需要採用金屬鈉等物質作為熱管內的相變材料，對安全性要求苛刻。中國專利CN2758657提出了腔式太陽能吸收器，分為內外兩個腔，內腔體臨近石英玻璃窗表面塗覆太陽能選擇性吸收塗層，並且採用不同的物質用於傳熱和蓄熱，用於高溫場合，但其結構較為複雜。中國專利CN2872208提出了一種空腔式太陽能空氣吸熱器，採用了針管冷卻玻璃窗、管狀吸熱體，管狀吸熱體的換熱表面積小，傳熱效率不高，冷卻玻璃窗也難於製作為較大尺寸。綜上所述，為了獲得高溫高壓空氣，目前的空氣吸熱器多採用石英玻璃窗實現透光和密封功能，在由於受到石英玻璃生產工藝的限制，單片石英玻璃難以被加工成較大面積，限制了承壓式空氣吸熱器的功率。在通常的容積式空氣吸熱器中，陶瓷或金屬吸熱體均會出現局部的「熱斑」而造成吸熱體損壞，而且在大功率應用中，大尺寸陶瓷體的製備和連接均存在技術難題。

發明內容
本發明的目的是克服現有承壓式空氣吸熱器難以用於較大功率的不足，提供一種新的空氣吸熱器。本發明以石英玻璃管束的石英玻璃管為空氣流道，利用石英玻璃的高透光率和耐高溫特性，採用堆積石英玻璃管內的固體顆粒為吸熱體，利用固體顆粒的吸收率高、耐高溫、導熱係數高、比表面積大的特點進行高效吸熱與換熱。
所述的固體顆粒在接收太陽輻射時還具有儲熱功能，可以在一定時間內避免空氣溫度的較大波動。本發明可根據使用要求建造較大容量的空氣吸熱器，可用於常壓和高壓系統。選擇碳化矽、氮化矽、石墨等耐溫高材料作為固體顆粒可在1200°C及更高溫度範圍內使用，確保了本發明的空氣吸熱器可用於較高的溫度。碳化矽、石墨等固體顆粒的導熱係數高溫時可大於low/ (mK)，而且具有很高的輻射吸收率，通過設計顆粒的形狀和大小，可以最大限度吸收投入的太陽輻射能。堆積於石英玻璃管中固體顆粒群具有較大的比表面積，確保了換熱過程中空氣與吸熱體間可獲得較高的傳熱效率。本發明的固體顆粒堆積床式空氣吸熱器，以堆積於石英玻璃管中的固體顆粒為吸熱介質，空氣為傳熱流體。所述的吸熱器包括位於上部的熱空氣集箱、位於下部的冷空氣集箱和與熱空氣集箱、冷空氣集箱密封連接的石英玻璃管束組成。石英玻璃管束為多根管徑相同或者不同的石英玻璃管排列而成。石英玻璃管內充滿固體顆粒。熱空氣集箱的側面或底部開有一個或多個熱空氣出口，冷空氣集箱的側面或底部開有一個或多個冷空氣入口。固體顆粒為球形、橢球形或者其他形狀，顆粒大小可以相同也可以不同，固體顆粒的形狀、顆粒直徑和顆粒密度等參數由流入石英玻璃管束中空氣速度分布決定，其原則是實現固體顆粒與空氣充分換熱，吸熱器工作在高溫環境，吸熱器未用於接收太陽光的部分包覆有耐高溫保溫層，以控制熱量的散失。本發明工作過程如下:經聚光設備收集的聚光輻射能流投射至組成石英玻璃管束的石英玻璃管表面，部分福射能被石英玻璃管面向福射能量投入側的表面反射，部分福射能流被石英玻璃管吸收，部分輻射能流被石英玻璃管內充滿的固體顆粒反射和吸收，固體顆粒間有空隙，輻射能流在空隙間傳播，輻射能被固體顆粒吸收轉換為熱能，使得固體顆粒溫度升高，溫度較低的冷空氣與溫度較高的固體顆粒表面間進行對流傳熱，由於固體顆粒間為空隙，使得空氣與固體顆粒間的傳熱面積較大，傳熱效率較高。選擇固體顆粒直徑在0.1-1Omm之間,選在合適的顆粒直徑可以實現聚光輻射能流的高效吸收和空氣與固體顆粒間的高效傳熱。本發明結構簡單，可按需求設計固體顆粒的粒徑大小，加之調整空氣的流動速度，可實現太陽輻射能高效吸收、熱量高效傳遞給空氣的目的。本發明可以獲得溫度範圍為7000C -1600°C、常壓或IMPa壓力以上的高溫空氣。同時固體顆粒具有儲熱功能，可以在一定時間間隔內控制空氣溫度輸出參數的波動。


圖1固體顆粒堆積床式空氣吸熱器工作原理圖；圖2以非壓縮空氣為傳熱流體的太陽能熱發電站運行原理圖；圖3壓縮空氣為傳熱流體的太陽能熱發電站運行原理圖；圖中:1石英玻璃管束、2固體顆粒、3冷空氣集箱、4熱空氣集箱、5冷空氣入口、6熱空氣出口、7聚光輻射能流、8定日鏡場、9支撐塔、10固體顆粒堆積床式空氣吸熱器、11冷空氣、12風機、13熱空氣、14蒸汽發生器、15水泵、16汽輪機、17發電機、18水換熱器、19空氣壓縮機、20冷壓縮空氣、21熱壓縮空氣、22空氣透平。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。圖1所示為本發明固體顆粒堆積床式空氣吸熱器。該吸熱器由石英玻璃管束1、固體顆粒2、冷空氣集箱3、熱空氣集箱4、冷空氣入口 5和熱空氣出口 6組成。石英玻璃管束I由多根石英玻璃管排列組成。所述的石英玻璃管的直徑可以相同也可以不同，石英玻璃管的排列形式可以是順序排列或交叉排列。石英玻璃管束I的排列形式與管束數量受投入的聚光輻射能流7的特性決定，其原則是確保投入至吸熱器上的所有聚光輻射能流7均被固體顆粒2和組成石英玻璃管束I的多根石英玻璃管吸收。固體顆粒2充滿於每根石英玻璃管內，固體顆粒2具有高的輻射吸收率，可在1600°C以上溫度長期使用，固體顆粒2的直徑可以相同也可以不同，固體顆粒的形狀、顆粒直徑和顆粒密度等參數由流入石英玻璃管束I中空氣速度分布決定，其原則是實現固體顆粒2與空氣充分換熱，固體顆粒2的材料可以是碳化矽陶瓷、石墨、氮化矽陶瓷等。冷空氣集箱3位於石英玻璃管束I的下部，與石英玻璃管束I的下部密封連接。冷空氣集箱3可實現冷空氣匯集和空氣壓力與流量分配，冷空氣集箱3的側面或底部設有一個或多個冷空氣入口 5，冷空氣入口 5的位置、尺寸和數量依據冷空氣的流場特徵決定。熱空氣集箱4位於石英玻璃管束I的上部，與石英玻璃管束I的上部密封連接，可實現熱空氣匯集和空氣壓力分配，熱空氣集箱4的側面或頂部設有一個或多個熱空氣出口 6，熱空氣出口 6的位置、尺寸和數量依據熱空氣和固體顆粒2的流場特徵決定。工作時，經太陽能聚光場提供的聚光輻射能流7投射至石英玻璃管束I的石英玻璃管表面，聚光輻射能流7的絕大部分輻射能透過石英玻璃管壁至石英玻璃管束I內堆積的固體顆粒2上，固體顆粒2在工作過程中始終維持靜止狀態。由於固體顆粒2具有較高輻射吸收率，聚光輻射能流7被固體顆粒2吸收轉化為固體顆粒2的熱能，少部分輻射能被石英玻璃管壁吸收，轉化為石英玻璃管的熱能，被加熱的固體顆粒2和石英玻璃管壁溫度升高與來自冷空氣集箱3內的冷空氣進行對流換熱，將冷空氣加熱為熱空氣流入熱空氣集箱4內從熱空氣出口 6流出，冷空氣入口 5不斷向石英玻璃管束I內輸送冷空氣，聚光輻射能流7通過固體顆粒2和石英玻璃管束I管壁的吸收和與冷空氣的對流換熱，實現了輻射能到空氣熱能的轉換。圖2為以非壓縮空氣為傳熱流體的太陽能熱發電站運行原理，工作時，定日鏡場8上將太陽光會聚至位於支撐塔9上的固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10上，環境中的冷空氣11經風機12被吹入固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10內，固體顆粒2在工作過程中始終維持靜止狀態，固體顆粒2吸收太陽能輻射能後溫度升高，冷空氣11經與固體顆粒2對流換熱後被加熱為熱空氣13，熱空氣13流入蒸汽發生器14內與經水泵15泵入的高壓水換熱產生過熱蒸汽輸入至汽輪機16中做功帶動發電機17發電，經汽輪機16做功後的過熱蒸汽經水換熱器18換熱後在水泵15的作用下流回蒸汽發生器14，完成水工質的循環。圖3為以壓縮空氣為傳熱流體的太陽能熱發電站運行原理，工作時，定日鏡場8上將太陽光會聚至位於支撐塔9上的固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10上，環境中的冷空氣11經空氣壓縮機19壓縮後成為冷壓縮空氣20，冷壓縮空氣20進入固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10內，固體顆粒2在工作過程中保持不動，固體顆粒2吸收太陽能輻射能後溫度升高，冷壓縮空氣20經與固體顆粒2對流換熱後被加熱為熱壓縮空氣21，熱壓縮空氣21流入空氣透平22內做功帶動發電機17發電和推動空氣壓縮機19旋轉做功。熱壓縮空氣21在空氣透平22內做功後流入蒸汽發生器14內與經水泵15泵入的高壓水換熱產生過熱蒸汽輸入至汽輪機16中做功帶動發電機17發電，經汽輪機16做功後的過熱蒸汽經水換熱器18換熱後在水泵15的作用下流回蒸汽發生器14，完成水工質的循環。
權利要求
1.一種太陽能熱發電站用固體顆粒堆積床式空氣吸熱器，其特徵在於，所述的吸熱器由石英玻璃管束(I)、固體顆粒(2)、冷空氣集箱(3)、熱空氣集箱(4)、冷空氣入口(5)和熱空氣出口(6)組成；所述的石英玻璃管束(I)由多根石英玻璃管排列組成，所述的固體顆粒(2)充滿所述的石英玻璃管內部，固體顆粒(2)在工作過程中始終維持靜止狀態；所述的冷空氣集箱(3)位於石英玻璃管束(I)的下部，與石英玻璃管束(I)的下部密封連接；所述的熱空氣集箱(4)位於石英玻璃管束(I)的上部，與石英玻璃管束(I)的上部密封連接；所述的冷空氣集箱(3)的側面或底部開有冷空氣入口(5)，熱空氣集箱(4)的側面或頂部開有熱空氣出口(6)。
2.按照權利要求1所說的空氣吸熱器，其特徵在於所述的固體顆粒(2)為耐1200°C以上溫度的固體顆粒。
3.按照權利要求1所說的空氣吸熱器，其特徵在於環境中的冷空氣(11)經空氣壓縮機(19)壓縮後成為冷壓縮空氣(20)，冷壓縮空氣(20)進入固體顆粒堆積床式空氣吸熱器(10)內，冷壓縮空氣(20)與固體顆粒(2)對流換熱後被加熱為熱壓縮空氣(21)，熱壓縮空氣(21)流入空氣透平(22 )內做功帶動發電機(17 )發電和推動空氣壓縮機(19 )旋轉做功，熱壓縮空氣(21)在空氣透平(22 )內做功後流入蒸汽發生器(14)內與高壓水換熱產生過熱蒸汽輸入至汽輪機(16)中做功帶動發電機(17)發電。
全文摘要
一種太陽能熱發電站用固體顆粒堆積床式空氣吸熱器，由石英玻璃管束(1)、固體顆粒(2)、冷空氣集箱(3)、熱空氣集箱(4)、冷空氣入口(5)和熱空氣出口(6)組成。石英玻璃管束(1)由多根石英玻璃管組成。固體顆粒(2)堆積於石英玻璃管束(1)中的石英玻璃管內部，固體顆粒(2)在工作過程中保持靜止狀態。冷空氣集箱(3)位於石英玻璃管束(1)的下部與石英玻璃管束(1)的下部密封連接，熱空氣集箱(4)位於石英玻璃管束(1)的上部與石英玻璃管束(1)的上部密封連接。冷空氣入口(5)位於冷空氣集箱(3)上，熱空氣出口(6)位於熱空氣集箱(4)上。本發明可獲得700℃-1300℃、常壓或者1MPa壓力以上的高溫空氣，同時利用自身的顯熱儲熱。
文檔編號F24J2/34GK103148602SQ20131004253
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月1日 優先權日2013年2月1日
發明者白鳳武, 王志峰, 王豔, 張亞南, 李青, 王方舟 申請人:中國科學院電工研究所