專利名稱：一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器。
背景技術：
在太陽能聚光高溫熱利用和熱發(fā)電場合，目前使用的吸熱器按照工質區(qū)分主要有水/水蒸氣、導熱油、熔融鹽、空氣及液態(tài)金屬等。水/水蒸氣吸熱器結構類似于現(xiàn)在的電站鍋爐中的水冷壁、過熱器和再熱器，過冷水在這里被加熱到飽和或過熱蒸汽狀態(tài)。高溫部件在工作時處于高溫、超高壓狀態(tài)，進一步提高運行參數(shù)對于設備安全性的要求很高，而且吸熱器金屬材料所受蠕變和高溫氧化腐蝕均較為嚴重，這些都使得吸熱器運行參數(shù)和系統(tǒng)發(fā)電效率的進一步提高受到很大限制；導熱油吸熱器工作溫度很難超過400℃，且系統(tǒng)整體成本較高，目前主要應用在太陽能槽式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)中，太陽能高溫吸熱鋼管真空封接在玻璃套管中，用以減少對流熱損失，因其工質工作溫度限制以及真空管工作溫度限制的原因，該吸熱器并不適合在塔式太陽能熱發(fā)電高溫段處直接使用；而如美國公開專利US6701711，US5862800提到的熔融鹽吸熱器，也是利用鍋爐換熱原理，不銹鋼列管吸熱器采用熔融態(tài)混合鹽作為換熱工質，換熱器設備對于抗腐蝕性以及運行的溫度范圍嚴格控制都有很高要求。熔融鹽工質只能在特定溫度范圍內使用，例如硝酸鈉硝酸鉀混合鹽工質只能在290℃到565℃范圍內穩(wěn)定工作，系統(tǒng)運行時需要防止熔融鹽超出工作溫度范圍而發(fā)生凝固或分解，同時也要控制工作溫度防止換熱設備疲勞損壞，因而整套系統(tǒng)控制十分復雜；空氣吸熱器多采用金屬絲網(wǎng)或蜂窩陶瓷作吸熱面。如美國公開專利US5483950空氣吸熱器，由金屬絲網(wǎng)構成吸熱面，空氣有引風機驅動流經(jīng)高溫金屬絲網(wǎng)時發(fā)生換熱。該類吸熱器以空氣作為換熱工質熱容太小，吸熱器換熱不均勻，系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問題，目前該技術仍然處在實驗研究階段；液態(tài)金屬吸熱器主要是鈉金屬吸熱器，如西班牙IEA-SSPS采用過的鈉工質吸熱器(Solar Energy Vol.41，No.3，pp255-265，1988)，類似于熔融鹽工質吸熱器及鍋爐換熱原理，該液態(tài)金屬吸熱器由5塊吸熱管板單元串聯(lián)組成平板式吸熱表面，每塊吸熱管板單元由39支外徑14mm，壁厚1mm的不銹鋼吸熱管并聯(lián)組成，液態(tài)金屬鈉作為流動換熱工質，由耐高溫泵驅動依次流過吸熱管板單元，吸收并帶走熱量。由于鈉工質工作溫度范圍較廣，且熱導率較水和空氣高，所以該吸熱器極限工作熱流可達3MW/m2，吸熱器熱效率也很高。但是由于鈉也存在凝固和分解問題，而且鈉工質遇到水和空氣等物質極易發(fā)生燃燒爆炸，對于啟停頻繁的電站來說，控制技術較為復雜且系統(tǒng)安全性差，鈉泄漏及電加熱系統(tǒng)的故障也會使得系統(tǒng)停機檢修頻繁。上述吸熱器除存在以上分析提到的明顯缺點外，還有很顯著的一點，即上述各吸熱器工作方式都是以主動循環(huán)方式強制對流換熱，對于聚光后非均勻入射到吸熱器表面的非穩(wěn)態(tài)太陽輻射能，其熱響應和適應能力很差。在塔式聚光太陽能熱發(fā)電站中，分布在吸熱器表面不同點上的能流密度差別可以高達6×105W/m2。吸熱器受分布于其表面的非均勻熱流影響產(chǎn)生的熱應力很大，且吸熱器局部溫度過高時亦容易發(fā)生局部燒穿等破壞，這會嚴重影響吸熱器的安全穩(wěn)定運行。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術熱響應能力和安全性差，控制系統(tǒng)復雜且工質循環(huán)動力設備耗能較大等一系列不足，針對太陽能非穩(wěn)態(tài)變化以及聚光后非均勻入射的特點，結合熱管被動式響應、高效傳熱、均溫性能好、對非均勻非穩(wěn)態(tài)溫度邊界條件適應能力強等優(yōu)點，提出一種可以工作在300℃～1200℃溫度范圍的太陽能高溫吸熱器。特別適用于表面熱流非均勻的場合。
本太陽能高溫吸熱器由熱管、保溫層、隔熱擋板、冷卻流道、襯管、翅片以及二次聚光口等主要部件構成。熱管安裝在吸熱腔內，位于冷卻流道下部。吸熱腔開口方向面向鏡場，其余各表面封閉。吸熱腔封閉外表面裝有耐熱保溫層。熱管蒸發(fā)段外表面裝有翅片，翅片為面向入射能流的直翅。熱管蒸發(fā)段外表面和翅片表面鍍有耐高溫太陽能選擇性吸收涂層。熱管蒸發(fā)段為自由端，可隨受熱變化自由伸縮。熱管冷凝段向上插入襯管中。襯管布置在冷卻流道中。襯管外表面即面向冷卻流道內部一側裝有翅片，以強化同冷卻流道中工作流體之間的換熱。冷卻流道為承壓換熱器，是一厚壁容器設備。冷卻流道安裝在吸熱腔上方，位于整個吸熱器的上部。冷卻流道內表面裝有肋柱，以強化同其內部的工作流體換熱。冷卻流道外表面裝有耐熱保溫層。
聚光后非穩(wěn)態(tài)且非均勻入射的太陽能進入吸熱腔，直接投射或多次反射后到達熱管蒸發(fā)段外表面，經(jīng)耐高溫選擇性吸收涂層充分吸熱，將熱量傳遞給熱管中的工作介質。現(xiàn)有技術的主動式吸熱器會通過手動或電動控制動力設備如泵或風機的轉速，或通過旁通閥開度來調節(jié)工作流體的流量，以適應非穩(wěn)態(tài)非均勻的熱流變化。一方面，這部分動力設備本身需要消耗能量；另一方面，由于入射熱流變化隨機且變化頻繁，這種主動循環(huán)控制方式無法及時的響應入射能量的變化，致使吸熱器出口參數(shù)難以穩(wěn)定。此外還存在因動力設備故障或測試信號失準而引發(fā)吸熱器燒毀的不安全隱患。另外，現(xiàn)有技術的吸熱器在運行時對動力設備要求較高，如以熔融鹽吸熱器為例，吸熱器內的流體工質循環(huán)時需要高溫熔融鹽泵來驅動，而這一環(huán)節(jié)往往工作的溫度和工作壓力很高，又有較強的腐蝕性，所以對高溫熔融鹽泵的材料和性能要求很高，相應的動力設備投資也很高。而本發(fā)明的這一環(huán)節(jié)的換熱特點是熱管內的工作介質吸收從熱管蒸發(fā)段外壁面導入的熱量，并在熱管內側汽—液分界面上蒸發(fā)，進一步利用潛熱吸熱，蒸汽從蒸發(fā)段流到冷凝段，并在冷凝段內的汽—液分界面上凝結放熱，將熱量傳遞給冷卻流道和安置在冷卻流道內襯管，進而將熱量傳遞給冷卻流體工質。這個換熱過程由于涉及相變，所以換熱能力比以往的吸熱器更強。而且在此過程中不需要額外動力設備驅動，即節(jié)省了能量消耗，也增強了運行的安全性。熱量傳遞到冷卻流道以及冷卻流道內的襯管后，安裝在冷卻流道內表面的肋柱起到繞流柱和換熱肋的雙重作用，可以增強高溫壁面和冷卻流體的換熱，同時在襯管上安裝的翅片也可以強化同冷卻流道內的流動工質換熱。
另外，現(xiàn)有技術的吸熱器由于是換熱器是整體式結構，任何一處的損壞和故障都會導致整個吸熱器停止運行甚至報廢。而在本發(fā)明中，各熱管之間均為獨立換熱，單根熱管的破壞不會導致整體吸熱換熱個工作過程停止，不會發(fā)生兩種換熱流體互混，也無需系統(tǒng)立即停車檢修。而且熱管蒸發(fā)段可以通過自由熱脹冷縮來消除吸熱器啟動和云層間歇帶來的結構溫差應力，因而本發(fā)明可以較以往的各類管式太陽能高溫吸熱器具有更高的工作可靠性和熱效率。
考慮到太陽能塔式熱發(fā)電站的工作溫度，本發(fā)明太陽能高溫吸熱器的熱管內的工作液體最好是飽和蒸汽壓力低的材料，例如液態(tài)金屬(鈉、鉀、鋰、鈉鉀合金，銫等)，這些金屬的熱物理性質比較穩(wěn)定，熔點較低，沸點較高。例如鋰的熔點是179℃，鋰的沸點1317℃。這樣在高溫條件下工作時，熱管承受高溫而不承受管內高壓，設備的可靠性較高。在同一吸熱器內部，又可以針對不同部位光流強度和換熱強度不同而選擇安裝不同參數(shù)和工質的熱管，具有較好的靈活性和經(jīng)濟性。冷卻流道內的工質可以是承壓空氣、導熱油、熔融鹽，承壓水/水蒸氣等。同以往吸熱器內工質單相換熱相比，本發(fā)明太陽能高溫吸熱器由于采用了熱管相變換熱，換熱能力比以往吸熱器要強，可以工作在300℃至1200℃高溫范圍內。
本發(fā)明利用熱管作為高效“傳熱—換熱”器件，利用熱管的被動熱啟動特性來自動適應非均勻熱流邊界條件下的換熱過程。熱管的蒸發(fā)段作為吸熱器的吸熱表面，冷凝段作為吸熱器的放熱表面。依據(jù)吸熱器不同的出口溫度需要，可以選擇不同工質的熱管。由于具有上述特點，所以本發(fā)明太陽能高溫吸熱器可以比以往管式吸熱器有著更高的工作溫度和運行可靠性，特別適用于太陽能熱利用場合。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。


圖1本發(fā)明太陽能高溫吸熱器正視圖；圖2本發(fā)明太陽能高溫吸熱器側視圖；圖3本發(fā)明太陽能高溫吸熱器俯視圖；圖4本發(fā)明太陽能高溫吸熱器中熱管與襯管連接方式示意圖。
圖中1熱管，2耐熱保溫層，3隔熱擋板，4冷卻流道入口，5冷卻流道，6襯管，7冷卻流道出口，8翅片，9二次聚光口，10肋柱，11翅片。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明具體實施方式
太陽能高溫吸熱器正視圖。該吸熱器整體結構為腔體式。熱管1安裝在吸熱腔內，位于冷卻流道5下部。吸熱腔除開口外，其余各面均裝有耐熱保溫層，以減少吸熱器的熱損失。熱管1冷凝段插入冷卻流道5的襯管6中。襯管6外表面即面向冷卻流道內部一側裝有翅片8，以強化同冷卻流道5中工作流體之間的換熱。熱管1蒸發(fā)段外表面裝有翅片11，翅片11為面向入射能流的直翅。熱管1蒸發(fā)段外表面和翅片11表面鍍有耐高溫太陽能選擇性吸收涂層，吸收從定日鏡場聚集過來的太陽輻射并將其轉換成熱能。熱管1蒸發(fā)段為自由端，可自由熱脹冷縮消除結構溫差應力。冷卻流道5為不銹鋼承壓式厚壁方腔換熱器。冷卻流道5安裝在吸熱腔上方。耐熱保溫層2和隔熱擋板3可由耐高溫多孔介質材料制成，或采用多層屏全金屬反射式保溫結構。多層屏全金屬反射式保溫裝置即由多層不銹鋼薄板并排布置組成多層遮熱板，每層不銹鋼板之間有耐高溫間隔材料，不銹鋼遮熱板之間間隙抽真空，可以顯著的消減輻射和對流熱損失。耐高溫隔熱擋板3可以起到熱管1絕熱段及冷卻流道5保溫的作用。冷卻流道5內表面裝有肋柱10，通過增加流體擾動和增大換熱表面積雙重途徑來強化與冷卻流體的換熱。
圖2是本發(fā)明具體實施方式
太陽能高溫吸熱器側視圖。吸熱器開口面向鏡場方向裝有二次聚光口9。二次聚光口9的反射表面與吸熱器腔體開口法線方向成一銳角?？梢詫⒏嗟膹溺R場反射過來的太陽光再次反射到吸熱器腔體內部，從而增大吸熱器接收的能量，并且可以使得入射到腔體內部吸熱表面的太陽能分布更均勻。冷卻流道入口4緊貼冷卻流道5外表面布置，這樣做的好處是可以有效利用冷卻流道5散失的熱量來預熱冷卻流體，并且降低吸熱器與外界空氣的換熱溫差，從而減少吸熱器的熱損失。
圖3本發(fā)明具體實施方式
太陽能高溫吸熱器俯視圖。二次聚光口9有效的接收更多的從定日鏡場反射過來的太陽能，將其反射到吸熱器腔內吸熱表面。冷卻流道5中的流體換熱工質經(jīng)冷卻流到入口4，分多個支路進入冷卻流道5中，從而使得進入冷卻流道5內的流體分布更均勻。襯管6外表面安裝得翅片8可以是如圖所示的環(huán)肋，也可以是直翅、螺旋肋等其他形狀強化換熱的翅片。熱管[1]叉行排布，可以有效的消除繞流體圓柱流動時形成的尾渦區(qū)對換熱的不利影響，圖4所示為本發(fā)明具體實施方式
太陽能高溫吸熱器中熱管1冷凝段與冷凝器5中襯管6連接方式為螺紋連接時的示意圖。螺紋接觸面用以增大熱管1與冷凝器5的換熱面積。襯管6表面裝有翅片8，可以是環(huán)翅、直翅、螺旋翅等，用以強化冷凝側與流體的換熱效果。為避免金屬在高溫時產(chǎn)生粘結，在螺紋接觸表面最好做陶瓷化處理。
權利要求
1.一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器，其特征是吸熱器為腔體式，包括熱管[1]、耐熱保溫層[2]、隔熱擋板[3]、冷卻流道[5]和二次聚光口[9]；熱管[1]安裝在吸熱腔內，位于冷卻流道[5]的下部；吸熱腔開口方向面向鏡場；除開口外，吸熱腔其余各面封閉，外表面均裝有耐熱保溫層[2]；熱管[1]蒸發(fā)段為吸熱器的吸熱面，熱管[1]的冷凝段插入冷卻流道[5]內的襯管[6]中，熱管[1]的蒸發(fā)段為自由端，蒸發(fā)段外表面裝有翅片[11]，翅片[11]為面向入射能流的直翅；熱管[1]叉行排布，各熱管之間獨立工作；冷卻流道[5]為不銹鋼承壓式厚壁方腔換熱器，冷卻流道[5]安裝在吸熱腔上方，內表面裝有肋柱[10]。
2.按照權利要求1所述的一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器，其特征是熱管[1]蒸發(fā)段外表面以及翅片[11]表面鍍有耐高溫太陽能選擇性吸收涂層，翅片[11]可以是金屬或多孔陶瓷制成。
3.按照權利要求1所述的一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器，其特征是在襯管[6]外表面裝有翅片[8]以強化換熱，翅片[8]可以是環(huán)翅、直翅、螺旋翅等形式。翅片[8]的材料可以是金屬，也可以是多孔陶瓷。熱管[1]冷凝段與襯管[6]內表面可以采用填充環(huán)、螺紋等方式連接。
4.按照權利要求1或3所述的一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器，其特征是熱管[1]冷凝段與襯管[6]內表面采用填充環(huán)或螺紋連接，當采用螺紋連接時，在螺紋接觸表面做陶瓷化處理。
5.按照權利要求1所述的一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器，其特征是耐熱保溫層[2]和隔熱擋板[3]可采用無機非金屬材料，耐高溫多孔介質材料制成，或采用多層屏全金屬反射式保溫結構。
6.按照權利要求1所述的一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器，其特征是二次聚光口[9]的反射表面與吸熱器腔體開口法線方向成一銳角。
全文摘要
一種太陽能塔式熱發(fā)電站用高溫吸熱器，包括熱管[1]、耐熱保溫層[2]、隔熱擋板[3]、冷卻流道[5]和二次聚光口[9]。熱管[1]安裝在吸熱腔內，位于冷卻流道[5]的下部。吸熱腔開口面向鏡場，除開口外，吸熱腔其余各面封閉，表面外側均裝有耐熱保溫層[2]。熱管[1]蒸發(fā)段為吸熱器的吸熱面，熱管[1]的冷凝段插入冷卻流道[5]內的襯管[6]中。熱管[1]的蒸發(fā)段為自由端，蒸發(fā)段外表面裝有翅片[11]，翅片[11]為面向入射能流的直翅。熱管[1]叉行排布，各熱管之間獨立工作。冷卻流道[5]為不銹鋼承壓式厚壁方腔換熱器，冷卻流道[5]安裝在吸熱腔上方，內表面裝有肋柱[10]。依據(jù)吸熱器不同的出口溫度需要，可選擇不同工質的熱管。本發(fā)明安全可靠，運行控制簡便，使用溫度范圍寬，易維護。
文檔編號F24J2/07GK101033892SQ20071006555
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月16日 優(yōu)先權日2007年4月16日
發(fā)明者王志峰, 李鑫, 常春, 白鳳武 申請人:中國科學院電工研究所