專利名稱：太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆粒空氣吸熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塔式太陽能熱發(fā)電用空氣吸熱器。
背景技術(shù)：
經(jīng)濟的發(fā)展離不開能源支持，能源問題和環(huán)境問題是決定21世紀人類發(fā)展前景的一個重大問題。我國近年來積極倡導(dǎo)對包括風能、太陽能等可再生新能源的開發(fā)利用，太陽能熱發(fā)電具有清潔高效、穩(wěn)定可靠等特點，隨著技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)體系的完善，將會逐步提高其技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，成為太陽能利用的重要方式。太陽能塔式熱發(fā)電是通過多臺跟蹤太陽運動的定日鏡將太陽輻射反射至放置于塔上的吸熱器中獲得高溫傳熱介質(zhì)，高溫傳熱流體直接或間接通過熱力循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)，主要包括定日鏡、太陽塔、吸熱器、儲熱器和發(fā)電機組等。吸熱器是塔式系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵核心部件，其性能直接影響整個系統(tǒng)的效率。根據(jù)吸熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)的不同，目前世界上運行和在研的塔式電站主要包括水/蒸汽、熔融鹽和空氣三種，其中，以空氣作為太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱與傳熱介質(zhì)有以下優(yōu)點:運行溫度高，易于運行和維護，啟動快，無須附加的保溫和冷啟動加熱系統(tǒng)等，是未來塔式熱發(fā)電站高效率化發(fā)展的一個重要方向。高溫容積式空氣吸熱器運行時，由于太陽能聚光能流密度高并具有不均勻性和不穩(wěn)定性，造成的吸熱體材料熱應(yīng)力破壞、空氣流動穩(wěn)定性差以及可靠性不高是制約空氣吸熱器發(fā)展的主要瓶頸。顆粒型空氣吸熱器是空氣吸熱器發(fā)展的新的方向，與早期空氣吸熱器相比，顆粒型空氣吸熱器有其自身獨特的優(yōu)勢:1)固體顆粒能有效緩解吸熱器受熱不均的問題，從而減少吸熱器局部過熱現(xiàn)象并提高吸熱器效率；2)固體顆?？梢宰鳛閮峤橘|(zhì)，不需要額外的儲熱系統(tǒng)。顆粒型空氣吸熱器有望提高現(xiàn)有吸熱器性能，推動太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，因而獲得世界各國研究者的廣泛關(guān)注。美國專利US58881035公布了采用帶有顆粒以壓縮空氣為傳熱流體的吸 熱器，其溫度可被加熱至800°C，該吸熱器無法應(yīng)用到更高的溫度，且其中間過程熱量損失較大。美國專利US5510109103公布的固體顆粒吸熱器最高工作溫度為900°C，由于采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)以提高吸熱器效率，可靠性不高。美國專利US31009732公布了一種固體顆粒吸熱器系統(tǒng)，被加熱的固體顆粒-空氣混合物經(jīng)固體顆粒分離、換熱后固體顆粒和空氣循環(huán)利用，氣固混合物溫度在500-860°C，但吸熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率不高。中國專利CN112136335A提出了一種基于石英管束的固體顆?？諝馕鼰崞鳎捎诓捎檬⒐芙Y(jié)構(gòu)，石英管束間流量分配和受熱不均等問題難以解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞?，以克服現(xiàn)有太陽能熱發(fā)電站中空氣吸熱器由于太陽能聚光能流密度高且具有不均勻性和不穩(wěn)定性，造成吸熱體材料熱應(yīng)力破壞、流動穩(wěn)定性差以及可靠性不高的缺點。本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞饔晌鼰崞髑惑w、進氣導(dǎo)管、固體顆粒、透光窗口、空氣進口、空氣出口等組成。所述的吸熱器腔體為圓筒形或方形，內(nèi)部存放有固體顆粒。吸熱器腔體采用耐高溫材料如陶瓷或耐熱合金鋼或石英玻璃制作，進氣導(dǎo)管采用耐高溫材料如陶瓷或耐熱合金鋼制作，透光窗口采用高透光率和耐高溫的石英玻璃制作。所述的固體顆粒為吸熱體，空氣為傳熱流體，利用固體顆粒的耐高溫和高輻射吸收率特性實現(xiàn)高效吸熱，通過使顆粒流化起來以實現(xiàn)空氣與固體顆粒間高效換熱。進氣導(dǎo)管固定在吸熱器腔體內(nèi)，進氣導(dǎo)管的軸向方向上開有若干個開孔，冷空氣從吸熱器的空氣進口流入進氣導(dǎo)管內(nèi)，并從進氣導(dǎo)管上的開孔流出至吸熱器腔體內(nèi)，使固體顆粒在吸熱器腔體內(nèi)循環(huán)流動起來。進氣導(dǎo)管一端密封，另一端作為空氣進口，空氣進口位于吸熱器腔體的底部或側(cè)面或頂部。空氣出口位于吸熱器腔體頂部。透光窗口為吸熱器腔體的一部分，位于吸熱器腔體面對聚光輻射能流投射的一側(cè)。透光窗口通常由石英玻璃制成，用于將聚光輻射能流透射至吸熱器內(nèi)部。吸熱器工作在高溫環(huán)境，吸熱器除透光窗口外的部分均包覆有耐高溫保溫層，以減少熱量的散失。吸熱器未工作時固體顆粒自由堆積在吸熱器腔體內(nèi)；吸熱器工作時，冷空氣從空氣進口流入進氣導(dǎo)管，并從進氣導(dǎo)管上的開孔流出至吸熱器腔體內(nèi)，在空氣壓力的作用下，堆積于吸熱器腔體內(nèi)的固體顆粒被吹起，使固體顆粒在吸熱器腔體內(nèi)循環(huán)流動起來，并吸收自透光窗口透射的聚光輻射能流，空氣的浮升力和固體顆粒的重力作用使得吸熱器腔體內(nèi)的固體顆粒充分碰撞并與空氣充分接觸，實現(xiàn)冷空氣與固體顆粒間的高效對流換熱變?yōu)闊峥諝?，熱空氣從空氣出口流出。本發(fā)明選擇碳化硅、氮化硅、石墨、炭黑等耐高溫材料作為固體顆粒，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、氮化硅、石墨等固體顆粒的導(dǎo)熱系·數(shù)高，且具有很高的輻射吸收率，通過設(shè)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。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。由于進氣導(dǎo)管、吸熱器壁面、透光窗口一直受聚光輻射能流的加熱，冷空氣進入吸熱器內(nèi)后與進氣導(dǎo)管、吸熱器壁面、透光窗口間也發(fā)生對流換熱，起到了對進氣導(dǎo)管、吸熱器壁面、透光窗口的冷卻作用，可在一定程度避免這些部件的過熱破壞。固體顆粒間的碰撞以及固體顆粒與吸熱器內(nèi)壁面間的碰撞，有利于吸熱器內(nèi)的溫度均勻，避免了吸熱器內(nèi)局部區(qū)域顆粒群的過熱結(jié)焦，有效消除了容積式吸熱器內(nèi)吸熱體材料局部“熱斑”影響，可提高吸熱器的安全性，延長使用壽命。流動的固體顆粒具有儲熱功能，可以在一定時間內(nèi)避免空氣溫度的較大波動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，吸熱器內(nèi)流動狀態(tài)穩(wěn)定可控。按需求設(shè)計固體顆粒的形狀和大小，加之調(diào)整空氣入口流量，可實現(xiàn)對投入的聚光福射能流的聞效吸收和聞效加熱空氣，獲得700°C -1300°C、常壓或IMPa以上壓力的高溫空氣。


圖1本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞魇疽鈭D；圖2本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞鬟M氣導(dǎo)管示意圖；圖3本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞鬟M氣導(dǎo)管空氣流向示意圖；圖4本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞鞲┮晥D；圖5本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞黜敳窟M氣示意圖；圖6本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞鱾?cè)面進氣示意圖。圖中:I吸熱器腔體、2固體顆粒、3進氣導(dǎo)管、4開孔、5底座、6空氣進口、7冷空氣、8聚光輻射能流、9透光窗口、10空氣出口、11熱空氣。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)明內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞鳌Ｔ撐鼰崞饔晌鼰崞髑惑w1、固體顆粒2、進氣導(dǎo)管3、空氣進口 6、透光窗口 9，以及空氣出口 10組成。吸熱器腔體I為圓筒形或方形，由耐高溫材料制成。底座5為吸熱器腔體I的一部分，位于吸熱器腔體I的底部，與吸熱器腔體I密封連接，由耐高溫材料制成。進氣導(dǎo)管3固定在吸熱器腔體I內(nèi)。進氣導(dǎo)管3 —端密封，另一端作為空氣進口 6。透光窗口 9為吸熱器腔體I的一部分，位于吸熱器腔體I面對聚光輻射能流8投射的一側(cè)。透光窗口 9通常由石英玻璃制成，用于將聚光輻射能流8透射至吸熱器腔體I內(nèi)部。透光窗口 9與吸熱器腔體I密封連接，以保證吸熱器腔體I可以承受一定的壓力，并防止固體顆粒2及空氣從吸熱器腔體I中流出。透光窗口 9的形狀、大小和厚度受投入的聚光輻射能流8的特性決定，其原則是使投入至透光窗口 9上的聚光輻射能流8均盡可能多地被固體顆粒2吸收。固體顆粒2在吸熱器未工作時自由堆積在吸熱器腔體I內(nèi)。固體顆粒2具有較高的輻射吸收率，可在1200°C以上溫度長期使用，固體顆粒2為球形、橢球形或其他形狀，其大小可以相同也可以不同，其形狀、直徑和密度等參數(shù)由流入吸熱器腔體I內(nèi)的冷空氣7的速度、壓力，以及聚光輻射能流8的大小和分布決定，其原則是實現(xiàn)固體顆粒2與冷空氣7充分換熱并保持有規(guī)律的流動狀態(tài)，固體顆粒2的材料可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。空氣進口 6位于吸熱器腔體I的底部或側(cè)面或頂部，其形狀可以為圓形、方形或其它形狀，其設(shè)計原則是保證冷空氣7能順利進入吸熱器腔體I內(nèi)；當空氣進口 6位于吸熱器腔體I底部時，進氣導(dǎo)管3穿過底座5固定在吸熱器腔體I內(nèi)，與底座5密封連接?？諝獬隹?10位于吸熱器腔體I的頂部。空氣出口10形狀可以為圓形、方形或其它形狀，其設(shè)計原則是保證熱空氣11能順利流出吸熱器腔體I外。進氣導(dǎo)管3的軸向方向上開有若干個開孔4，冷空氣7從空氣進口 6流入進氣導(dǎo)管3內(nèi)，并從進氣導(dǎo)管3上的開孔4流出至吸熱器腔體I內(nèi)，使固體顆粒2在吸熱器腔體I內(nèi)循環(huán)流動起來。

吸熱器工作時，冷空氣7從空氣進口 6流入進氣導(dǎo)管3內(nèi)，并從進氣導(dǎo)管3上的開孔4流出至吸熱器腔體I內(nèi)，靠近開孔4的固體顆粒2受冷空氣7的作用將沿吸熱器腔體I壁面往上運動，至一定高度后沿透光窗口 9和吸熱器腔體I壁面下落，固體顆粒2下落至吸熱器腔體I底部后又被來自空氣進口 6的冷空氣7吹起，從而使固體顆粒2在吸熱器腔體I內(nèi)循環(huán)流動起來。由于受到空氣的浮升力、固體顆粒2自身重力及固體顆粒2的碰撞力等作用，固體顆粒2在吸熱器腔體I內(nèi)始終保持運動狀態(tài)。經(jīng)太陽能聚光場提供的聚光輻射能流8投射至透光窗口 9的外表面，聚光輻射能流8的絕大部分輻射能透過透光窗口9至吸熱器內(nèi)隨空氣流動的固體顆粒2上。固體顆粒2具有較高的吸收率，聚光輻射能流8被固體顆粒2吸收并轉(zhuǎn)化為固體顆粒2的熱能,少部分聚光福射能流8被透光窗口 9、進氣導(dǎo)管3、和吸熱器腔體I壁面吸收。被加熱的固體顆粒2、透光窗口 9、進氣導(dǎo)管3和吸熱器腔體I壁面與來自空氣進口 6的冷空氣7進行對流換熱，冷空氣7被加熱為熱空氣11后從空氣出口 10流出，實現(xiàn)了太陽能到空氣熱能的轉(zhuǎn)換。圖2所示為進氣導(dǎo)管3示意圖，進氣導(dǎo)管3可以為圓管或方管，也可以為直管或彎管，由耐高溫材料制成，一端密封，另一端作為空氣進口 6。冷空氣7從空氣進口 6流入進氣導(dǎo)管3中，并從進氣導(dǎo)管3上的開孔4流出，如圖3所示。開孔4位于進氣導(dǎo)管3的軸向方向的半個壁面上。進氣導(dǎo)管3的形狀、數(shù)量和分布由吸熱器的設(shè)計功率決定，為一個或多個，當進氣導(dǎo)管3的數(shù)量多于一個時，其分布形式可以為沿壁面直線排列或圓周排列；進氣導(dǎo)管3的大小需保證其能順利放入吸熱器腔體I內(nèi)。開孔4的形狀可以為方形、圓形或其他形狀，也可以在開孔4上安裝支管用以導(dǎo)流，開孔4的大小需保證開孔4能開在進氣導(dǎo)管3的壁面上，開孔4的數(shù)量和分布由吸熱器的規(guī)格和制作工藝決定，其原則是保證固體顆粒2在吸熱器腔體I內(nèi)循環(huán)流動起來并均勻受熱，提高吸熱器效率。圖4所示為本發(fā)明吸熱器俯視圖，進氣導(dǎo)管3上有開孔4的半個壁面朝向吸熱器腔體I的內(nèi)壁面，另一半壁面朝向透光窗口 9，即:處于中心位置開孔4的外法線方向與聚光輻射能流8的方向一致；進氣導(dǎo)管3的位置取決于吸熱器腔體I內(nèi)固體顆粒2的形狀、大小、體積分數(shù)，冷空氣7的速度、壓力，以及吸熱器設(shè)計所需流化狀態(tài)。圖5所示為本發(fā)明吸 熱器采用頂部進氣示意圖，空氣進口 6位于吸熱器腔體I的頂部。吸熱器結(jié)構(gòu)和工作過程與圖1中空氣進口 6位于吸熱器腔體I底部的吸熱器結(jié)構(gòu)和工作過程類似。進氣導(dǎo)管3的底部可以與底座5接觸也可以不接觸，取決于吸熱器內(nèi)固體顆粒2的形狀、大小、體積分數(shù)，冷空氣7的速度和吸熱器設(shè)計流化狀態(tài)。圖6所示為本發(fā)明吸熱器采用側(cè)面進氣示意圖，空氣進口 6位于吸熱器腔體I的側(cè)面，進氣導(dǎo)管3與吸熱器腔體I連接處密封。吸熱器結(jié)構(gòu)和工作過程與圖1中空氣進口6位于吸熱器腔體I底部的吸熱器結(jié)構(gòu)和工作過程類似。進氣導(dǎo)管3底部可以與底座5接觸也可以不接觸，取決于吸熱器內(nèi)固體顆粒2的形狀、大小、體積分數(shù)、冷空氣7的速度和吸熱器設(shè)計流化狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞鳎涮卣髟谟?，所述的吸熱器由吸熱器腔體(I)、固體顆粒(2)、進氣導(dǎo)管(3)、空氣進口(6)、透光窗口(9)和空氣出口(10)組成；所述的透光窗口(9)位于吸熱器腔體(I)面對聚光輻射能流(8)投射的一側(cè)，透光窗口(9)與吸熱器腔體(I)連接處密封；所述的固體顆粒(2)堆積在吸熱器腔體(I)內(nèi)；所述的進氣導(dǎo)管(3)固定在吸熱器腔體(I)內(nèi)；所述的進氣導(dǎo)管(3)在其軸向方向上開有開孔(4);所述的進氣導(dǎo)管(3) —端密封，另一端作為空氣進口(6);所述的空氣出口(10)位于吸熱器腔體(I)的頂部。
2.按照權(quán)利要求1所述的太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞?，其特征在于所述的空氣進口(6)位于吸熱器腔體(I)的底部或側(cè)面或頂部。
3.按照權(quán)利要求1所述的太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞?，其特征在于所述的進氣導(dǎo)管(3)為圓管或方管，直管或彎管；當進氣導(dǎo)管(3)的數(shù)量多于一個時，所述的進氣導(dǎo)管(3)沿吸熱器腔體(I)壁面直線排列或圓周排列。
4.按照權(quán)利要求1所述的太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆粒空氣吸熱器，其特征在于所述的進氣導(dǎo)管(3)上的開孔(4)位于進氣導(dǎo)管(3)的半個壁面上；進氣導(dǎo)管(3)有開孔(4)的半個壁面朝向吸熱器腔體(I)內(nèi)壁面，另一半壁面朝向透光窗口(9)。
5.按照權(quán)利要求 1或4所述的太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆粒空氣吸熱器，其特征在于在所述的開孔(4)上安裝支管用以導(dǎo)流。
全文摘要
一種太陽能熱發(fā)電用內(nèi)循環(huán)式固體顆?？諝馕鼰崞?，其吸熱器腔體(1)面對聚光輻射能流(8)投射的一側(cè)安裝有透光窗口(9)。固體顆粒(2)位于吸熱器腔體(1)內(nèi)。進氣導(dǎo)管(3)位于吸熱器腔體(1)內(nèi)。進氣導(dǎo)管(3)壁面上開有開孔(4)。所述的進氣導(dǎo)管(3)一端密封，另一端作為空氣進口(6)。空氣進口(6)位于吸熱器腔體(1)的底部或側(cè)面或頂部?？諝獬隹?10)位于吸熱器腔體(1)的頂部。本發(fā)明可獲得700℃-1300℃、常壓或者1MPa壓力以上的空氣。
文檔編號F24J2/24GK103216952SQ201310129899
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者張亞南, 白鳳武, 王方舟, 王艷, 張喜良, 李鑫, 王志峰, 廖志榮 申請人:中國科學(xué)院電工研究所