專利名稱：太陽(yáng)能熱發(fā)電站用固體顆粒堆積床式空氣吸熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能熱發(fā)電站用空氣吸熱器。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)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(guó)際能源形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的今天，開發(fā)利用太陽(yáng)能是實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)多元化、保證能源安全的重要途徑之一。塔式熱發(fā)電裝置基本原理是利用眾多的定日鏡，將太陽(yáng)輻射反射到置于塔上的太陽(yáng)能接收器上，借助加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫空氣，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生電能。高溫太陽(yáng)能吸熱器是塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。國(guó)外圍繞此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，主要集中在美國(guó)、西班牙、德國(guó)、以色列、澳大利亞、韓國(guó)等。其中應(yīng)用較多的是容積式吸熱器，就是一種由三維基體所構(gòu)成的接收太陽(yáng)輻射的吸熱體，流過的工作流體與其進(jìn)行直接的熱交換而被加熱。容積式太陽(yáng)能吸熱器通常有一個(gè)空心殼體，用于容納容積式太陽(yáng)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(guó)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(duì)金屬要求較高，系統(tǒng)復(fù)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(guó)專利4777934公布了采用帶有粒子的壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能吸熱器，其溫度可被加熱至700°C，該吸熱器無法應(yīng)用到更高的溫度。美國(guó)專利US6668555B1公布了基于吸熱器的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，采用熱管式太陽(yáng)能吸熱器，其傳熱工質(zhì)為空氣，雖然傳熱效率較高，但應(yīng)用于高溫需要采用金屬鈉等物質(zhì)作為熱管內(nèi)的相變材料，對(duì)安全性要求苛刻。中國(guó)專利CN2758657提出了腔式太陽(yáng)能吸收器，分為內(nèi)外兩個(gè)腔，內(nèi)腔體臨近石英玻璃窗表面涂覆太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，并且采用不同的物質(zhì)用于傳熱和蓄熱，用于高溫場(chǎng)合，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。中國(guó)專利CN2872208提出了一種空腔式太陽(yáng)能空氣吸熱器，采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，冷卻玻璃窗也難于制作為較大尺寸。綜上所述，為了獲得高溫高壓空氣，目前的空氣吸熱器多采用石英玻璃窗實(shí)現(xiàn)透光和密封功能，在由于受到石英玻璃生產(chǎn)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(huì)出現(xiàn)局部的“熱斑”而造成吸熱體損壞，而且在大功率應(yīng)用中，大尺寸陶瓷體的制備和連接均存在技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有承壓式空氣吸熱器難以用于較大功率的不足，提供一種新的空氣吸熱器。本發(fā)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，采用堆積石英玻璃管內(nèi)的固體顆粒為吸熱體，利用固體顆粒的吸收率高、耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高、比表面積大的特點(diǎn)進(jìn)行高效吸熱與換熱。
所述的固體顆粒在接收太陽(yáng)輻射時(shí)還具有儲(chǔ)熱功能，可以在一定時(shí)間內(nèi)避免空氣溫度的較大波動(dòng)。本發(fā)明可根據(jù)使用要求建造較大容量的空氣吸熱器，可用于常壓和高壓系統(tǒng)。選擇碳化硅、氮化硅、石墨等耐溫高材料作為固體顆粒可在1200°C及更高溫度范圍內(nèi)使用，確保了本發(fā)明的空氣吸熱器可用于較高的溫度。碳化硅、石墨等固體顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)高溫時(shí)可大于low/ (mK)，而且具有很高的輻射吸收率，通過設(shè)計(jì)顆粒的形狀和大小，可以最大限度吸收投入的太陽(yáng)輻射能。堆積于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(fā)明的固體顆粒堆積床式空氣吸熱器，以堆積于石英玻璃管中的固體顆粒為吸熱介質(zhì)，空氣為傳熱流體。所述的吸熱器包括位于上部的熱空氣集箱、位于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(nèi)充滿固體顆粒。熱空氣集箱的側(cè)面或底部開有一個(gè)或多個(gè)熱空氣出口，冷空氣集箱的側(cè)面或底部開有一個(gè)或多個(gè)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(shù)由流入石英玻璃管束中空氣速度分布決定，其原則是實(shí)現(xiàn)固體顆粒與空氣充分換熱，吸熱器工作在高溫環(huán)境，吸熱器未用于接收太陽(yáng)光的部分包覆有耐高溫保溫層，以控制熱量的散失。本發(fā)明工作過程如下:經(jīng)聚光設(shè)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(cè)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(nèi)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(zhuǎn)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(jìn)行對(duì)流傳熱，由于固體顆粒間為空隙，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(shí)現(xiàn)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(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可按需求設(shè)計(jì)固體顆粒的粒徑大小，加之調(diào)整空氣的流動(dòng)速度，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射能高效吸收、熱量高效傳遞給空氣的目的。本發(fā)明可以獲得溫度范圍為7000C -1600°C、常壓或IMPa壓力以上的高溫空氣。同時(shí)固體顆粒具有儲(chǔ)熱功能，可以在一定時(shí)間間隔內(nèi)控制空氣溫度輸出參數(shù)的波動(dòng)。


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(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行原理圖；圖3壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)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(chǎng)、9支撐塔、10固體顆粒堆積床式空氣吸熱器、11冷空氣、12風(fēng)機(jī)、13熱空氣、14蒸汽發(fā)生器、15水泵、16汽輪機(jī)、17發(fā)電機(jī)、18水換熱器、19空氣壓縮機(jī)、20冷壓縮空氣、21熱壓縮空氣、22空氣透平。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)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(shù)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充滿于每根石英玻璃管內(nèi)，固體顆粒2具有高的輻射吸收率，可在1600°C以上溫度長(zhǎng)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(shù)由流入石英玻璃管束I中空氣速度分布決定，其原則是實(shí)現(xiàn)固體顆粒2與空氣充分換熱，固體顆粒2的材料可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。冷空氣集箱3位于石英玻璃管束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(shí)現(xiàn)冷空氣匯集和空氣壓力與流量分配，冷空氣集箱3的側(cè)面或底部設(shè)有一個(gè)或多個(gè)冷空氣入口 5，冷空氣入口 5的位置、尺寸和數(shù)量依據(jù)冷空氣的流場(chǎng)特征決定。熱空氣集箱4位于石英玻璃管束I的上部，與石英玻璃管束I的上部密封連接，可實(shí)現(xiàn)熱空氣匯集和空氣壓力分配，熱空氣集箱4的側(cè)面或頂部設(shè)有一個(gè)或多個(gè)熱空氣出口 6，熱空氣出口 6的位置、尺寸和數(shù)量依據(jù)熱空氣和固體顆粒2的流場(chǎng)特征決定。工作時(shí)，經(jīng)太陽(yáng)能聚光場(chǎng)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(nèi)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?fàn)顟B(tài)。由于固體顆粒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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)的冷空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，將冷空氣加熱為熱空氣流入熱空氣集箱4內(nèi)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(nèi)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(duì)流換熱，實(shí)現(xiàn)了輻射能到空氣熱能的轉(zhuǎn)換。圖2為以非壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行原理，工作時(shí)，定日鏡場(chǎng)8上將太陽(yáng)光會(huì)聚至位于支撐塔9上的固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10上，環(huán)境中的冷空氣11經(jīng)風(fēng)機(jī)12被吹入固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10內(nèi)，固體顆粒2在工作過程中始終維持靜止?fàn)顟B(tài)，固體顆粒2吸收太陽(yáng)能輻射能后溫度升高，冷空氣11經(jīng)與固體顆粒2對(duì)流換熱后被加熱為熱空氣13，熱空氣13流入蒸汽發(fā)生器14內(nèi)與經(jīng)水泵15泵入的高壓水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽輸入至汽輪機(jī)16中做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)17發(fā)電，經(jīng)汽輪機(jī)16做功后的過熱蒸汽經(jīng)水換熱器18換熱后在水泵15的作用下流回蒸汽發(fā)生器14，完成水工質(zhì)的循環(huán)。圖3為以壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行原理，工作時(shí)，定日鏡場(chǎng)8上將太陽(yáng)光會(huì)聚至位于支撐塔9上的固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10上，環(huán)境中的冷空氣11經(jīng)空氣壓縮機(jī)19壓縮后成為冷壓縮空氣20，冷壓縮空氣20進(jìn)入固體顆粒堆積床式空氣吸熱器10內(nèi)，固體顆粒2在工作過程中保持不動(dòng)，固體顆粒2吸收太陽(yáng)能輻射能后溫度升高，冷壓縮空氣20經(jīng)與固體顆粒2對(duì)流換熱后被加熱為熱壓縮空氣21，熱壓縮空氣21流入空氣透平22內(nèi)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)17發(fā)電和推動(dòng)空氣壓縮機(jī)19旋轉(zhuǎn)做功。熱壓縮空氣21在空氣透平22內(nèi)做功后流入蒸汽發(fā)生器14內(nèi)與經(jīng)水泵15泵入的高壓水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽輸入至汽輪機(jī)16中做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)17發(fā)電，經(jīng)汽輪機(jī)16做功后的過熱蒸汽經(jīng)水換熱器18換熱后在水泵15的作用下流回蒸汽發(fā)生器14，完成水工質(zhì)的循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能熱發(fā)電站用固體顆粒堆積床式空氣吸熱器，其特征在于，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(nèi)部，固體顆粒(2)在工作過程中始終維持靜止?fàn)顟B(tài)；所述的冷空氣集箱(3)位于石英玻璃管束(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)位于石英玻璃管束(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(cè)面或底部開有冷空氣入口(5)，熱空氣集箱(4)的側(cè)面或頂部開有熱空氣出口(6)。
2.按照權(quán)利要求1所說的空氣吸熱器，其特征在于所述的固體顆粒(2)為耐1200°C以上溫度的固體顆粒。
3.按照權(quán)利要求1所說的空氣吸熱器，其特征在于環(huán)境中的冷空氣(11)經(jīng)空氣壓縮機(jī)(19)壓縮后成為冷壓縮空氣(20)，冷壓縮空氣(20)進(jìn)入固體顆粒堆積床式空氣吸熱器(10)內(nèi)，冷壓縮空氣(20)與固體顆粒(2)對(duì)流換熱后被加熱為熱壓縮空氣(21)，熱壓縮空氣(21)流入空氣透平(22 )內(nèi)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(17 )發(fā)電和推動(dòng)空氣壓縮機(jī)(19 )旋轉(zhuǎn)做功，熱壓縮空氣(21)在空氣透平(22 )內(nèi)做功后流入蒸汽發(fā)生器(14)內(nèi)與高壓水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽輸入至汽輪機(jī)(16)中做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(17)發(fā)電。
全文摘要
一種太陽(yáng)能熱發(fā)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)堆積于石英玻璃管束(1)中的石英玻璃管內(nèi)部，固體顆粒(2)在工作過程中保持靜止?fàn)顟B(tài)。冷空氣集箱(3)位于石英玻璃管束(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)位于石英玻璃管束(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)位于冷空氣集箱(3)上，熱空氣出口(6)位于熱空氣集箱(4)上。本發(fā)明可獲得700℃-1300℃、常壓或者1MPa壓力以上的高溫空氣，同時(shí)利用自身的顯熱儲(chǔ)熱。
文檔編號(hào)F24J2/34GK103148602SQ20131004253
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月1日
發(fā)明者白鳳武, 王志峰, 王艷, 張亞南, 李青, 王方舟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所