CN101122422A

CN101122422A - 用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器及其“吸热—储热”双流化床系统

Info

Publication number: CN101122422A
Application number: CNA2007100990406A
Authority: CN
Inventors: 王志峰; 李鑫; 白凤武
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2027-05-10
Also published as: CN101122422B

Abstract

用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器及其“吸热—储热”双流化床系统，流化床吸热器[15]和流化床蓄热器[14]构成双流化床系统。蓄热球[8]在流化床吸热器[15]和流化床蓄热器[14]之间流动，既是吸热介质又是蓄热介质，实现了“吸热—储热”一体化。本发明可根据太阳光的情况调整吸热量和蓄热量。流化床吸热器[15]充分利用流化床流动的特性克服太阳光聚集后辐射分布不均匀带来的换热问题。利用蓄热球[8]的热容可以消除云遮等情况下的热震对吸热器的影响。本发明安全可靠，成本低廉。

Description

用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器及其“吸热-储热”双流化床系统

技术领域

本发明涉及用于太阳能塔式热发电的吸热器，特别涉及流化床高温吸热器及其“吸热-储热”系统。

背景技术

目前国内外太阳能塔式热发电系统普遍使用的吸热器有腔式、柱体式、容积式。腔式吸热器和柱体式吸热器多采用不锈钢管作为吸热体，在吸热体的内部通过流体，如：水、熔融盐、液态金属等工质吸收太阳能。美国专利US5850831,5862800分别描述了使用水和熔融盐工质的柱体式吸热器；CN2758657,US4633854,US7024857描述了腔式吸热器。由于入射到吸热器表面的辐射热流密度是经过定日镜场聚集的高密度的辐射热流，通常情况下达到300～1000kW/m²，而且入射到吸热器表面的辐射热流非常不均匀，局部的辐射热流密度过高非常容易导致吸热器的局部过热烧蚀，或者过度的温差应力导致的吸热器热应力破坏。专利DE10200431917和AU200072553分别描述了一种增压式的容积式吸热器，他们使用多孔陶瓷作为吸热体，增压空气流过陶瓷将热量吸收。由于空气的粘度随温度的升高而升高，所以热流密度分布密集的地方空气的黏度大，流动阻力大，这样就造成冷空气从温度低的地方旁路，使得需要吸收的能量无法被吸收，从而导致吸热器的局部烧蚀破坏。另外，所有上述吸热器在突然云遮的情况下，都无法承受剧烈热震造成的伤害，在多次热震的作用下，热疲劳破坏。

另外，众所周知塔式太阳能热发电如果实现“吸热--储热”一体化，必然大大降低太阳能热发电系统的成本，推进其商业化进程。使用熔融盐作为工质可以实现太阳能热发电的“吸热-储热”一体化，但由于熔融盐本身是显热储能，因此在蓄热和取热的时候都需要一定的温差，这样就造成了大量的热能浪费。

总之，由于太阳本身的间歇性和塔式电站聚光发电的特点，导致聚集到吸热器表面的辐射热流密度非常大且不均匀，而且由于太阳的移动，该辐射流随着时间每时每刻都在变化，这就容易造成吸热器的局部烧蚀、热应力破坏和热震等诸多问题。使用传统的主动式的热工方法优化布置吸热器吸热面是无法从根本上解决这些难题的。另外，目前唯一实现吸热-储热一体化的熔融盐工质系统的蓄热效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

1、克服对流换热式吸热器热流密度不均匀而导致吸热表面烧蚀和热应力破坏等问题；

2、解决由于入射辐射变化引起的热震问题，提高吸热器的热容量以消除忽然云遮时运行工况不稳定的现象；

3、解决传统吸热-储热一体化系统效率较低的问题。

本发明解决上述技术问题采用的方案是：

本发明采用一种流化床吸热器来解决上述两个问题。该流化床吸热器的侧壁面(立式流化床吸热器)或者顶壁面(卧式流化床吸热器)装有对太阳辐射高透过率的石英窗，太阳辐射可透过该石英窗入射到流化床吸热器内。流化床内的工作物料采用内包有相变蓄热材料的蓄热球。蓄热球的外壳可采用金属或陶瓷材料。通过对外壳材料的处理可使其具有对太阳辐射的高吸收特性，一般增加吸收比的方法是用石墨掺杂的碳化硅陶瓷，通过掺杂量的不同可调节其辐射吸收比。透过石英窗的太阳辐射被流化床吸热器内的蓄热球吸收，被加热的蓄热球使蓄热球内部的高温相变蓄热材料发生相变存储能量。流化床吸热器采用空气布风，将蓄热球床流化起来，热空气风与流化的蓄热球进行剧烈的气固换热，变成高温空气，然后进入下级装备发电或者进入换热器发生蒸汽发电。被加热的蓄热球进入储热容器。

本发明流化床吸热器采用耐高温的蓄热球作为床料，利用流化床蓄热器实现一体化的“吸热-储热”过程。其工作过程如下：

太阳辐射经定日镜反射后射入流化床吸热器内，流化床吸热器内的蓄热球在流化状态下吸收太阳光后温度升高，达到蓄热材料的相变温度，并完全发生相变后通过气力输送或机械输送等方式被送到流化床蓄热器中储存。流化床蓄热器内的蓄热球用于产生进入汽轮机的高温高压水蒸汽或进入燃气轮机的热空气，待其放热降温后，重新进入流化床吸热器吸热。在吸热器和畜热器之间运动的蓄热球既是流化床吸热器的吸热材料，又是流化床蓄热器的蓄热工质，从而实现了“吸热-储热”一体化。蓄热球在吸热器与蓄热器中的传输可采用气力输送方式，也可采用其它机械方式，如垂直斗式提升机、倾斜或水平螺旋物料输送机及采用重力自然滑落等。

由于流态化是流动的“体”吸热而不是通常的固定“面”吸热，故本发明可适用于入射辐射热流分布极不均匀的条件，并具有很好的吸收热震功能。可大大提高吸热器的安全性、可靠性及吸热效率。另外带有相变吸热功能的颗粒可以实现“吸热-储热”一体化，降低系统成本，提高系统热效率。

本发明使用温度范围在350℃～1400℃，尤其适用于太阳能聚集辐射分布极不均匀、热震作用显著的场合。

附图说明

图1热风型立式流化床吸热器主视图；

图2热风型立式流化床吸热器左视图；

图3热风型卧式流化床吸热器主视图；

图4蓄热球结构图；

图5流化床蓄热器主视图；

图6基于热风型立式流化床吸热器的双流化床系统图；

图7基于热风型卧式流化床吸热器的双流化床系统图；

图中：1出料口；2进料口；3布风板；4保温层；5绝热层；6过滤器；7石英窗；8蓄热球；9进风口；10出风口；11高温相变蓄热材料；12蓄热球外壳；13定日镜；14流化床蓄热器；15流化床吸热器；16太阳塔；17二次反射镜。

具体实施方式

图1、2、3分别是本发明热风型立式流化床吸热器的主视图和左视图和热风型卧式流化床吸热器的主视图。如图1、图2、图3所示，蓄热球8置于流化床吸热器的布风板3上。经过过滤的没有杂质的冷风通过进风口9经过布风板3流化蓄热球8，使其处于流态化状态。经过汇聚的太阳辐射透过石英窗7进入流化床吸热器，被蓄热球8吸收。热风型立式流化床吸热器的石英窗7位于吸热器的侧壁面，石英窗7可以垂直于地面，也可以与地面有一定的倾斜角。卧式流化床的石英窗7位于为吸热器的顶面。蓄热球8吸收太阳辐射以后温度逐渐升高，冷风在流态化蓄热球8的过程中与蓄热球8发生剧烈的换热，变成热风，可以达到1400℃，从出风口10流出，在出风口10中嵌有过滤器6，过滤器6使用泡沫陶瓷或者其它多孔材料制作，可以过滤掉热风中的粉末使其变成干净的热风，然后进入燃气轮机燃烧发电，或者进入换热器加热水生成过热蒸汽发电。流化床内流态化状态造成的剧烈的气固两相传热使得流化床吸热器内的温度分布比较均匀，因此床内温度非常高，在流化床吸热器的内壁趁有耐火材料做成的绝热层5，在绝热层5的外面包覆保温层4，以减少吸热器的热损失。吸收热量后的蓄热球8漂浮在床层的最上面，然后通过出料口1，流出流化床吸热器，进入流化床蓄热器，如图5所示。在流化床的中下部有进料口2，新的蓄热球8和流化床蓄热器中换热以后变成低温的蓄热球8通过进料口2进入流化床吸热器。

图4所示为蓄热球8的结构图。蓄热球8的直径范围从10μm到100mm。根据流态化的特点选择宽筛分的蓄热球8或者单粒径的蓄热球8。蓄热球8的外壳12可以使用SiC陶瓷材料和金属材料。在蓄热球外壳12掺杂石墨提高其对太阳辐射的高吸收，通过掺杂量的不同可调节其辐射吸收比。蓄热球内包裹高温相变蓄热材料11，不同的相变材料，其相变温度也不同，可以从300～1300℃。当蓄热球8吸收太阳辐射温度逐渐升高达到高温相变蓄热材料11的相变温度以后，高温相变蓄热材料11发生相变，从而可以蓄积大量的相变潜热。当流化床吸热器工作在云遮的时候，流化床吸热器的热量急剧下降，导致其温度下降，这时蓄热球8内的高温相变蓄热材料11发生相变，将蓄积的相变潜热释放出来，缓解热震带来的冲击。

图5为流化床蓄热器主视图。流化床蓄热器14包括：进风口9、出风口10、进料口2、出料口1、布风板3、保温层4、绝热层5、过滤器6、蓄热球8。进料口2和出料口1都位于流化床蓄热器14的上部，进风口9位于流化床吸蓄热器14的底部，出风口10位于流化床蓄热器14的顶部，蓄热球8位于布风板3的上面。流化床吸热器15中的高温蓄热球8流出流化床吸热器15的出料口1之后，通过管道进入流化床蓄热器14的进料口2，进入流化床蓄热器14，将热量存在流化床蓄热器14内。夜晚没有太阳光，或者阴天下雨太阳光提供的能量无法满足系统运行时，冷风从流化床蓄热器14的进风口9进入，通过布风板3流化蓄热球8，高温蓄热球8将蓄积的显热和其高温相变材料11蓄积的相变潜热释放给冷风，变成高温热风，可以达到1200℃，从出风口10流出，在出风口10中嵌有过滤器6，过滤器6使用泡沫陶瓷或者其它多孔材料制作，可以过滤掉热风中的粉末使其变成干净的热风，然后进入燃气轮机燃烧发电，或者进入换热器加热水生成过热蒸汽发电。流化床蓄热器14的内壁衬有绝热层5，外面包裹保温层4。

图6所示为基于热风型立式流化床吸热器的双流化床系统，该系统包括：定日镜13、流化床蓄热器14、流化床吸热器15和太阳塔16。热风型立式流化床吸热器15安装在太阳塔16的顶部，流化床蓄热器14置于地面。蓄热球8在流化床吸热器15和流化床蓄热器14之间流动，实现了吸热-储热一体化。该系统工作过程如下：太阳光被定目镜13反射到位于太阳塔16顶部的流化床吸热器15的采光口处，透过位于此处的石英窗7被处于流态化的蓄热颗粒球8吸收。吸收太阳能之后的蓄热颗粒球8温度升高，被流态化后可以从流化床吸热器的出料口1溢出。在重力的作用下通过保温管道进入蓄热器14的进料口2。蓄热球8放出热量以后又通过蓄热器14的出料口，通过螺旋给料机或其它输送设备重新送回流化床吸热器15的进料口2，重新返回流化床吸热器15，完成一个循环。蓄热球8在循环的过程中，既作为吸热工质又作为蓄热工质，从而实现“吸热-蓄热”一体化。进入燃气轮机的空气从压气机出来后，通过储热器的布风板3进入流化床储热器15，一方面起流态化蓄热球8的作用，另一方面在流化床中被加热成为高温热风，进入燃气轮机发电。也可将水通入储热器内的换热器蒸发加热成为过热蒸汽，送入蒸汽轮机发电。

图7所示是基于卧式流化床吸热器的双流化床系统。该系统包括：定日镜13、流化床蓄热器14、流化床吸热器15和太阳塔16，热风型卧式流化床吸热器15和流化床蓄热器14置于地面。蓄热球8在流化床吸热器15和流化床蓄热器14之间流动，实现了吸热-储热一体化。该系统工作过程如下：太阳光被定日镜13反射到位于太阳塔16顶部的二次反射器17上。经过二次放射镜17的二次反射后，投射到位于地面的流化床吸热器15的采光口处，透过位于此处的石英窗7被处于流态化的蓄热球8吸收。吸收太阳热之后的蓄热球8变成高温，在达到设定温度后，从流化床吸热器的出料口1溢出，在传输设备的作用下，通过管道到达蓄热器14的进料口，从此进入流化床蓄热器14。在储热器中的蓄热球8放出热量后又通过流化床蓄热器14的出料口，通过输送设备给入流化床吸热器15的进料口2，重新返回流化床吸热器15，完成一个循环。蓄热球8在循环的过程中，既作为吸热工质又作为蓄热工质，从而实现“吸热--蓄热”一体化。

Claims

1.一种用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器，其特征是：流化床吸热器[15]包括：出料口[1]、进料口[2]、布风板[3]、保温层[4]、绝热层[5]、过滤器[6]、石英窗[7]、带有蓄热功能的蓄热球[8]、进风口[9]、出风口[10]；作为床料的蓄热球[8]置于吸热器[15]的布风板[3]上，蓄热球[8]内包有相变材料，蓄热球[8]在循环的过程中既作为吸热工质又作为蓄热工质；石英窗[7]安装在立式流化床吸热器的侧面或卧式流化床吸热器顶部；流化床吸热器[15]的内壁面衬有绝热层[5]，外面包覆保温层[4]；进料口[2]和出料口[1]都位于流化床吸热器[15]的上部，进料口[2]位于出料口[1]的上面；进风口[9]位于流化床吸热器[15]的底部；立式流化床吸热器[15]的出风口[10]位于流化床吸热器[15]的顶部，卧式流化床吸热器[15]的出风口则位于卧式流化床吸热器[15]侧壁面。

2.按照权利要求1所述的用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器，其特征是：蓄热球[8]的蓄热球外壳[12]制作材料可以是陶瓷或金属，蓄热球外壳[12]的陶瓷材料可以通过掺杂石墨等材料的方法改变其表面的太阳光吸收比和热发射比。

3.按照权利要求1所述的用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器，其特征是：立式流化床吸热器[15]的透光石英窗[3]垂直于地面安装，或与地面有一定的倾斜角布置；卧式流化床吸热器[15]的透光石英窗[3]平行于地面安装。

4.按照权利要求1所述的用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器，其特征是：过滤器[6]使用泡沫陶瓷或者其它多孔材料制作。

5.一种用于太阳能塔式热发电的流化床高温蓄热器，其特征是：流化床蓄热器[14]包括：进风口[9]、出风口[10]、进料口[2]、出料口[1]、布风板[3]、保温层[4]、绝热层[5]、过滤器[6]、蓄热球[8]；内壁面衬有绝热层[5]，外面包覆保温层[4]；进料口[2]和出料口[1]都位于流化床蓄热器[14]的上部，进料口[2]位于出料口[1]的上面，进风口[9]位于流化床吸蓄热器[14]的底部，出风口[10]位于流化床蓄热器[14]的顶部，蓄热球[8]位于布风板[3]的上面。

6.按照权利要求5所述的用于太阳能塔式热发电的流化床高温蓄热器，其特征是：过滤器[6]使用泡沫陶瓷或者其它多孔材料制作。

7.一种用于太阳能塔式热发电的热风型立式双流化床系统，其特征是该系统包括：定日镜[13]、流化床蓄热器[14]、流化床吸热器[15]和太阳塔[16]；热风型立式流化床吸热器[15]安装在太阳塔[16]的顶部，流化床蓄热器[14]置于地面；蓄热球[8]在流化床吸热器[15]和流化床蓄热器[14]之间流动。

8.一种用于太阳能塔式热发电的卧式双流化床系统，其特征是该系统包括：定日镜[13]、流化床蓄热器[14]、流化床吸热器[15]和太阳塔[16]；热风型卧式流化床吸热器[15]和流化床蓄热器[14]置于地面；蓄热球[8]在流化床吸热器[15]和流化床蓄热器[14]之间流动；太阳塔的顶部装有二次反射镜[17]，其中第二次反射将第一次由定日镜[13]聚集的太阳辐射经二次反射镜[17]反射并聚集到与地面平行的卧式吸热器的是石英窗[3]中，进入位于地面的流化床吸热器[15]。

9.按照权利要求5或6所述的双流化床系统，其特征是高温蓄热球[8]的流动是通过气力或机械方式输送，低温蓄热球[8]的输送可使用机械方式。