CN101275785A - 塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔式太阳能热发电用中心接收器。本发明的结构是每二根相邻高温热管的吸热段用直翅片连接并对中均布而成，高温热管呈垂直放置状，吸热段在下、放热段在上，套管套在放热段上，每个套管由上联箱管、下联箱管连接形成工作流体通道，上联箱管上设置工作流体进口，下联箱管上设置工作流体出口，高温热管吸热段外表面及连接高温热管用的直翅片表面处于接受器外部的部分涂有耐高温选择性吸收涂层。解决了接收器应用场合受局限、其他高温热管则出于空载状态、传热能力受到限制、换热系数较小、换热效果不理想等缺陷。本发明利用套管和联箱管结构提高了传热能力、避免了空载高温热管的出现，从而可以适应更大规模的太阳能热发电。

Description

塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器

技术领域

本发明涉及一种高温热管接收器，特别涉及一种塔式太阳能热发电用中心接收器。

背景技术

塔式太阳能热发电技术是通过大量的平面反射镜阵列，将太阳光反射到置于一高塔顶部的太阳能接收器上，加热工作流体产生过热蒸汽或高温高压空气，驱动热电转换设备，从而最终将太阳能转化为电能的技术。这一技术由于可以实现大容量的太阳能/电能的转换，因而受到了极大的重视。中心接收器作为塔式太阳能热发电的核心部件，是目前各国关于太阳能热发电关键技术的研究重点。

塔式太阳能热发电系统的接收器有两种类型：空腔型和外部受光型。对于空腔型的接收器，定日镜所反射的太阳光可以照射到空腔内部，因此可以将接收器的热损失控制在最低限度，但是，空腔型接收器所能适应的镜场布置方式比较单一，即不超过180°受光，镜场的规模也因此受到限制，从而阻碍了塔式太阳能热发电系统的容量放大。虽然外部受光型接收器的热损失比空腔型要大，但它可以全周向受光，对镜场的型式和规模适应性强，适用于大容量发电站。

无论空腔型还是外部受光型接收器，都必须适应高温太阳能热发电的各种特殊工况参数。目前主要有：水/蒸汽，熔盐，空气，液态金属等。水/蒸汽接收器的循环过程是过冷水流经接收器直接产生过热蒸汽。其特点为：以水作为传热介质，接收器结构相对简单，容易实现；但热效率较低，接收器体积庞大；吸热管较长，同时吸热管径向和轴向热流密度都不均匀，导致热应力大，影响了接收器的可靠性及寿命；由于水的压力高，需要吸热管的壁厚较厚，厚管壁导致传热系数小并增加吸热管的热应力；过热蒸汽出口温度不稳定，难以控制。熔盐接收器采用熔盐作为传热流体，其特点为：由于熔盐系统压力较低，吸热管的管壁可以更薄，热效率较高，接收器体积较小，成本低，但由于增添了熔盐系统造成整个电站投资成本的增加；熔盐系统对泵、管路、阀门的要求较高；由于热流密度都不均匀，产生热应力，容易导致吸热管扭曲变形。空气接收器则采用空气作为工作流体，用于布雷顿循环发电。由于空气本身热容小、导热系数低，需要高效的强化传热措施来提高接收器的效率，需要强化吸热体对太阳辐射能的吸收和强化工质流体与吸热体之间的传热。因此，空气接收器对材料性能、系统控制等方面要求较高。目前此种类型的接收器尚在试验阶段，仍存在许多难以解决的问题。液态金属接收器则采用液态金属作为传热流体，其特点为：可承受的热流密度高；传热系数高，允许更高的太阳辐射强度，使得接收器的体积大大减小，从而降低了热损失，提高了接收器热效率。但是这种接收器须使用大量的液态金属钠，大量的钠与水或蒸汽一起工作时比较危险，液态金属钠接收器技术已经被放弃。

在本发明之前，申请号为200710065553.5的中国专利公开了一种采用高温热管作吸热单元的空腔型接收器。高温热管优良的传热性能使得接收器的传热能力显著提高；由于每根高温热管是独立工作的，所以使得接收器可靠性大大提高；另外吸热段可自由伸缩，减小了温差应力对接收器结构可靠性的影响。但是，此种结构的接收器仍然存在一些不可忽视的问题，对接收器的工作有着一定的影响：1)接收器为空腔型，这在一定程度上影响了接收器对大容量镜场及全周向镜场的适应性，使得接收器的应用场合受到很大的局限；2)同样由于空腔型的结构特点，其迎光面的宽度不可能做得很大，而高温热管在吸热腔内为横向叉排，接收器工作时，仅有第一第二排高温热管能够受光，其他高温热管则出于空载状态，这样一方面造成高温热管的浪费，另一方面，接收器的传热能力受到了很大的限制。3)冷流体通道结构设计为大空间换热，高温热管的放热段直接插入冷流体所处的大空间，这样的换热结构会使得换热系数较小，换热效果不理想。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述缺陷，设计一种用于塔式太阳能热发电的外部受光型高温热管中心接收器。

本发明的技术方案是：

塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，接收器包括高温热管，高温热管内的工作介质为液态金属钠或钾或钠钾合金，其主要技术特征在于每二根相邻高温热管的吸热段用直翅片连接并对中均布而成，高温热管呈垂直放置状，吸热段在下、放热段在上，套管套在高温热管的放热段上，每个套管由上联箱管、下联箱管连接形成工作流体通道，上联箱管上设置工作流体进口，下联箱管上设置工作流体出口，高温热管吸热段外表面及连接高温热管用的直翅片表面处于接受器外部的部分涂有耐高温选择性吸收涂层。

本发明的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器为外部受光型，高温热管吸热段的外半周壁面和连接高温热管的直翅片外壁面涂有耐高温选择性吸收涂层，用以提高对太阳光的吸收率，聚焦后的太阳光从四周照射到接收器的外部涂有选择性吸收涂层的表面，在此将光能转化为热能，之后将热量传递给直翅片以及热管管壁，直翅片又可将热量传递给高温热管吸热段的管壁，之后传递到高温热管内的吸液芯及工作介质，从而引起工作介质的汽化。汽化产生的工作介质蒸汽在高温热管放热段冷凝，并将热量传递给放热段的管壁，放热段管外可加装螺旋翅片或直翅片进行传热强化。套管套在高温热管的放热段上，工作流体从上联箱管上的工作流体进口进入套管又从下联箱管上的工作流体出口流出，从而将高温热管放热段管壁的热量带走，最终实现了工作流体的加热。

本发明将高温热管应用于塔式太阳能热发电系统的外部受光型接收器当中，解决了其他外部受光型接收器的热流密度不均，热应力集中的问题；同时，与申请号为200710065553.5的中国专利公开的一种采用高温热管作吸热单元的空腔型接收器相比较，在兼具吸热单元性能优异的优点的同时，又克服了如前所述存在的问题，且具有以下明显优点：

本发明的接收器为一圆筒状，外部受光的特点使得接收器可以很容易根据镜场的规模调节高温热管的数量，因为接收器周长的变化对应的直径变化非常之小，这样可以在满足全部高温热管受光的同时，布置更多的高温热管，从而提高接收器的传热能力，也避免了某些高温热管空载的情况出现。这一优点给接收器的设计和适应性带来很大方便。

每根高温热管在吸热段采用直翅片相连，中间并无空隙，所有入射光都直接照射到吸热表面，这样就防止了入射光的损失，又进一步提高了整个接收器的效率。

每根高温热管在放热段的换热结构采用套管和联箱管的型式，使得工作流体的流速显著提高，换热系数也随之显著提高，这样则从传热学的角度提高了整个接收器的传热能力。

本发明实现的最终效果是：一方面，利用套管和联箱管结构提高了高温热管单管的传热能力，从而提高了整个接收器的传热能力，在同等规模发电情况下比其他接受器使用更少的高温热管；另一方面，外部受光的结构可以布置更多的高温热管，且避免空载高温热管的出现，从而可以适应更大规模的太阳能热发电。两方面相辅相成，前者为后者的强化提供基础，而后者则为前者提供更大的自由度。

附图说明：

图1——本发明的结构原理示意图。

图2——图1的俯视图。

图3——图1的仰视图。

图4——本发明中的套管和上联箱管、下联箱管结构示意图。

图5——本发明的运行环境原理图。

具体实施方式：

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的高温热管中心接收器13结构包括有数根高温热管1，而环形管板2将高温热管1分隔成吸热段和放热段二部分，用于工作流体换热的套管3联接成整体通道的上联箱管4、下联箱管5、工作流体进口管6以及工作流体出口管7；高温热管1位于套管3内的部分为放热段，位于环形管板2下方的部分为吸热段，每两根相邻的高温热管的吸热段由直翅片8相连接；高温热管1的吸热段外表面及直翅片8的表面处于高温热管中心接收器13外部的部分涂有耐高温选择性吸收涂层15。高温热管1位于套管3内的放热段外壁加装螺旋翅片9，用于强化流体的换热；本实施例的高温热管1的管材为耐热合金钢，内部毛细结构为丝网吸液芯10，高温热管1内采用的工质为液态金属钠或钾或钠钾合金，套管内的工作流体可为水/蒸汽或熔盐或高压空气。

本实施例应用时，经一定数量的定日镜14聚集后的太阳光从接收器的四周入射到耐高温选择性吸收涂层15上，在此，光能转换成热能，热量直接传递给高温热管1的吸热段外表面以及直翅片8的表面，最终都由高温热管1的吸热段吸收；所有的热能通过高温热管1的管壁传递给高温热管1内的液态金属钠，液态金属钠通过蒸发冷凝的相变换热将热量传递至高温热管1的放热段的管壁；一部分热量通过导热传递给管外的螺旋翅片9；同时，从工作流体进口管6流进的工作流体，流经套管3时将高温热管1管壁及螺旋翅片9的热量带走，之后从工作流体出口管7流出，此时工作流体的温度达到了一定的数值，于是可以进入热动力装置进行发电。

本实施例考虑了整个接收器的保温性，在接收器的套管3、上联箱管4以及下联箱管5的外部覆以耐高温的保温层11，保温层11外则覆有外壳12。这样就最大限度的减小了热损失，保证了高温热管中心接收器13的热效率。

如图5所示，本发明的高温热管中心接收器13的运行环境为一周向布置的镜场，由定日镜14反射的太阳光从四周全部入射到高温热管中心接收器13的外部表面，实现高温热管中心接收器13的运行，所以本发明的高温热管中心接收器13能够适应各种规模的镜场，从而可以实现各种容量的太阳能发电。

本实施例采用的高温热管1的数量可以根据镜场规模的大小在很大范围内调节，不像空腔型接收器那样受到经济尺寸的限制；高温热管1全部直接受光，避免了部分高温热管1空载的情况出现；套管3内的传热强化方式也可有多种选择，工作流体流速高，换热效果好。

除以上实施例之外，本发明可有多种实施方式，凡在本发明基础上实施的等效替换或类似组合变换均落在本发明要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，接收器包括高温热管，高温热管内的工作介质为液态金属钠或钾或钠钾合金，其特征在于每二根相邻高温热管的吸热段用直翅片连接并对中均布而成，高温热管呈垂直放置状，吸热段在下、放热段在上，套管套在高温热管的放热段上，每个套管由上联箱管、下联箱管连接形成工作流体通道，上联箱管上设置工作流体进口，下联箱管上设置工作流体出口，高温热管吸热段外表面及连接高温热管用的直翅片表面处于接受器外部的部分涂有耐高温选择性吸收涂层。

2.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，其特征在于高温热管吸热段的横截面形状为圆形或椭圆形或三角形。

3.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，其特征在于高温热管放热段的横截面形状为圆型。

4.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，其特征在于高温热管吸热段和放热段由环形管板隔开。

5.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，其特征在于套管内高温热管的放热段外壁上设置螺旋翅片。

6.根据权利要求5所述的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，其特征在于套管内的螺旋翅片为轴向设置。

7.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，其特征在于高温热管内设有吸液芯，吸液芯的型式为丝网吸液芯或金属粉末烧结吸液芯或丝网沟槽复合吸液芯。

8.根据权利要求1所述的塔式太阳能热发电用高温热管中心接收器，其特征在于套管、上联箱管、下联箱管外部覆有耐高温保温层。

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