CN102135334A - 一种太阳能热发电站用石英玻璃管束式空气吸热器 - Google Patents

Abstract

一种石英玻璃管束式空气吸热器，由石英玻璃管束(1)、固体吸热颗粒(2)、冷空气集箱(3)、热空气集箱(4)、冷空气入口(5)和热空气出口(6)组成，石英玻璃管束(1)由多根石英玻璃管组成，固体吸热颗粒(2)位于石英玻璃管束(1)中的石英玻璃管内部，在工作过程中保持流动。冷空气集箱(3)位于石英玻璃管束(1)的下部与石英玻璃管束(1)的下部密封连接，热空气集箱(4)位于石英玻璃管束(1)的上部与石英玻璃管束(1)的上部密封连接。冷空气入口(5)位于冷空气集箱(3)上，热空气出口(6)位于热空气集箱(4)上。本发明可获得700℃-1300℃、常压或者1MPa压力以上的高温空气，同时利用自身的显热储热。

Description

一种太阳能热发电站用石英玻璃管束式空气吸热器

技术领域

本发明涉及一种太阳能热发电站用空气吸热器。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。塔式热发电装置基本原理是利用众多的定日镜，将太阳辐射反射到置于塔上的太阳能接收器上，借助加热工质产生过热蒸汽或高温空气，驱动发电机组，产生电能。高温太阳能吸热器是塔式热发电系统的核心部件。国外围绕此项技术进行了诸多研究，主要集中在美国、西班牙、德国、以色列、澳大利亚、韩国等。其中应用较多的是容积式吸热器，就是一种由三维基体所构成的接收太阳辐射的吸热体，流过的工作流体与其进行直接的热交换而被加热。容积式太阳能吸热器通常有一个空心壳体，用于容纳容积式太阳能吸收装置，壳体由玻璃透光窗覆盖，形成封闭的吸热装置腔体，腔体可以容纳与吸收装置直接接触的工作流体，工作流体流过吸热装置腔体，从吸收装置上吸收热量。美国专利4394859公开了一种以空气为传热流体的柱状金属管式吸热器，该吸热器对金属要求较高，系统复杂，成本高，而且许用能流密度较低，难以获得高温度的空气。美国专利4777934公布了采用带有粒子的压缩空气为传热介质的太阳能吸热器，其温度可被加热至700℃，该吸热器无法应用到更高的温度。美国专利US6668555B1公布了基于吸热器的太阳能发电系统，采用热管式太阳能吸热器，其传热工质为空气，虽然传热效率较高，但应用于高温需要采用金属钠等物质作为热管内的相变材料，对安全性要求苛刻。中国专利CN2758657提出了腔式太阳能吸收器，分为内外两个腔，内腔体临近石英玻璃窗表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并且采用不同的物质用于传热和蓄热，用于高温场合，但其结构较为复杂。中国专利CN2872208提出了一种空腔式太阳能吸收器，采用了针管冷却玻璃窗、管状吸热体，管状吸热体的换热表面积小，传热效率不高，冷却玻璃窗也难于制作为较大尺寸，无法应用于大功率吸热器。

综上所述，为了获得高温空气，对于容积式空气吸热器而言，其吸热体均保持固定不动，需要吸热材料自身具有极高的抗热震性能，需要耐受极强的非均匀太阳能辐射能流加热，具备较大比表面积以获得与空气间的较高传热效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有空气吸热器内吸热体在高温、高热流密度下易于破坏、空气流动过程流量分配不均等不足，提供一种以石英玻璃管束的石英玻璃管为空气流道，流动的固体吸热颗粒为吸热体的空气吸热器。

本发明以石英玻璃管束的石英玻璃管为空气流道，利用石英玻璃的高透光率和耐高温特性，采用流动的固体吸热颗粒为吸热体，利用固体吸热颗粒的吸收率高、耐高温、导热系数高、比表面积大的特点进行高效吸热与换热。

固体吸热颗粒在接收太阳辐射时随空气一起流动，从而避免单个颗粒在高热流密度区内被长时间加热。流动的吸热体利于空气温度场的均匀和吸热体温度均匀，避免了通常容积式吸热器的吸热体局部“热斑”的出现，大大提高了吸热器的安全性。流动的固体吸热颗粒具有储热功能，可以在一定时间内避免空气温度的较大波动。本发明可根据使用要求建造较大容量的空气吸热器，可用于常压和高压系统。

选择碳化硅、氮化硅、石墨等耐温高材料作为固体吸热颗粒可在1200℃及更高温度范围内使用，确保了本发明的空气吸热器可用于较高的温度。碳化硅、石墨等固体吸热颗粒的导热系数高温时可大于10W/(m K)，而且具有很高的辐射吸收率，通过设计颗粒的形状和大小，可以最大限度吸收投入的太阳辐射能。固体吸热颗粒群具有较大的比表面积，确保了换热过程中空气与吸热体间可获得较高的传热效率。

本发明的石英玻璃管束式空气吸热器，以流动的固体吸热颗粒为吸热介质，空气为传热介质。所述的吸热器包括位于上部的热空气集箱、位于下部的冷空气集箱和与热空气集箱、冷空气集箱密封连接的石英玻璃管束组成，石英玻璃管束为多根相同管径或者管径不同的石英玻璃管排列而成，石英玻璃管内为处于流动状态的固体吸热颗粒，热空气集箱设有一个或几个热空气出口，冷空气集箱设有一个或几个冷空气入口。固体吸热颗粒为球形、椭球形或者其他形状，颗粒大小可以相同也可以不同，固体吸热颗粒的形状、颗粒直径和颗粒密度等参数由流入石英玻璃管束中空气速度分布决定，其原则是实现固体吸热颗粒与空气充分换热并保持有规律的流动状态。吸热器工作在高温环境，吸热器未用于接收太阳光的部分包覆有耐高温保温层，以控制热量的散失。

本发明工作过程如下：

经聚光设备收集的聚光辐射能流投射至组成石英玻璃管束的石英玻璃管表面，部分辐射能被石英玻璃管面向辐射能量投入侧的表面反射，部分辐射能流被石英玻璃管吸收，部分辐射能流被石英玻璃管内流动的固体吸热颗粒反射和吸收，流动的固体吸热颗粒间有空隙，辐射能流在空隙间传播，辐射能被固体吸热颗粒吸收转换为热能，使得固体吸热颗粒温度升高，温度较低的冷空气与温度较高的固体吸热颗粒表面间进行对流传热，由于固体吸热颗粒尺寸较小，使得空气与固体吸热颗粒间的传热面积较大，传热效率较高。选择固体吸热颗粒直径在0.01-10mm之间，降低颗粒直径可以增加空气与固体吸热颗粒的换热面积，提高空气的传热效率。不同温度的固体吸热颗粒间彼此碰撞，有利于整个气固两相流场内的温度均匀。

本发明结构简单，可按需求设计固体吸热颗粒的粒径大小，加之调整空气的流动速度，可实现太阳辐射能高效吸收、热量高效传递给空气的目的。本发明可以获得温度范围为700℃-1600℃、常压或1MPa压力以上的高温空气。同时固体吸热颗粒具有储热功能，可以在一定时间间隔内控制空气温度输出参数的波动。

附图说明

图1石英玻璃管束式空气吸热器工作原理图；

图2以非压缩空气为传热流体的太阳能热发电站运行原理图；

图3压缩空气为传热流体的太阳能热发电站运行原理图；

图中：1石英玻璃管束、2固体吸热颗粒、3冷空气集箱、4热空气集箱、5冷空气入口、6热空气出口、7聚光辐射能流、8定日镜场、9支撑塔、10石英玻璃管束式空气吸热器、11冷空气、12风机、13热空气、14蒸汽发生器、15水泵、16汽轮机、17发电机、18水换热器、19空气压缩机、20冷压缩空气、21热压缩空气、22空气透平。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1所示为本发明石英玻璃管束式空气吸热器。该吸热器由石英玻璃管束1、固体吸热颗粒2、冷空气集箱3、热空气集箱4、冷空气入口5和热空气出口6组成。石英玻璃管束1由多根石英玻璃管排列组成，石英玻璃管的直径可以相同也可以不同，其排列形式可以是顺序排列或交叉排列。石英玻璃管束1的排列形式与管束数量受投入的聚光辐射能流7的特性决定，其原则是确保投入至吸热器上的所有聚光辐射能流7均被固体吸热颗粒2和组成石英玻璃管束1的多根石英玻璃管吸收。固体吸热颗粒2具有高的辐射吸收率，可在1600℃以上温度长期使用，固体吸热颗粒2的直径可以相同也可以不同，固体吸热颗粒的形状、颗粒直径和颗粒密度等参数由流入石英玻璃管束1中空气速度分布决定，其原则是实现固体吸热颗粒2与空气充分换热并保持有规律的流动状态，固体吸热颗粒2的材料可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。冷空气集箱3位于石英玻璃管束1的下部，与石英玻璃管束1的下部密封连接。冷空气集箱3可实现冷空气汇集和空气压力与流量分配，兼有存储从石英玻璃管束1落下的固体吸热颗粒2的功能，冷空气集箱3的侧面或底部设有一个或多个冷空气入口5，冷空气入口5的位置、尺寸和数量依据冷空气和固体吸热颗粒2的流场特征决定。热空气集箱4位于石英玻璃管束1的上部，与石英玻璃管束1的上部密封连接，可实现热空气汇集和空气压力分配，兼有存储被空气从石英玻璃管束1中吹出的固体吸热颗粒2的功能，热空气集箱4的侧面或顶部设有一个或多个热空气出口6，热空气出口6的位置、尺寸和数量依据热空气和固体吸热颗粒2的流场特征决定。

工作时，经太阳能聚光场提供的聚光辐射能流7投射至石英玻璃管束1的石英玻璃管表面，聚光辐射能流7的绝大部分辐射能透过石英玻璃管壁至石英玻璃管束1内随空气一同流动的固体吸热颗粒2上，由于受空气的浮升力、重力及不同直径固体吸热颗粒2的碰撞力等作用，固体吸热颗粒2可以保持较好的流动状态，由于固体吸热颗粒2是具有较高辐射吸收率，聚光辐射能流7被固体吸热颗粒2吸收转化为固体吸热颗粒2的热能，少部分辐射能被石英玻璃管壁吸收，转化为石英玻璃管的热能，被加热的固体吸热颗粒2和石英玻璃管壁温度升高与来自冷空气集箱3内的冷空气进行对流换热，将冷空气加热为热空气流入热空气集箱4内从热空气出口6流出，冷空气入口5不断向石英玻璃管束1内输送冷空气，聚光辐射能流7通过固体吸热颗粒2和石英玻璃管束1管壁的吸收和与冷空气的对流换热，实现了辐射能到空气热能的转换。

图2为以非压缩空气为传热流体的太阳能热发电站运行原理，工作时，定日镜场8上将太阳光会聚至位于支撑塔9上的石英玻璃管束式空气吸热器10上，环境中的冷空气11经风机12被吹入石英玻璃管束式空气吸热器10内，固体吸热颗粒2吸收太阳能辐射能后温度升高，冷空气11经与固体吸热颗粒2对流换热后被加热为热空气13，热空气13流入蒸汽发生器14内与经水泵15泵入的高压水换热产生过热蒸汽输入至汽轮机16中做功带动发电机17发电，经汽轮机16做功后的过热蒸汽经水换热器18换热后在水泵15的作用下流回蒸汽发生器14，完成水工质的循环。

图3为以压缩空气为传热流体的太阳能热发电站运行原理，工作时，定日镜场8上将太阳光会聚至位于支撑塔9上的石英玻璃管束式空气吸热器10上，环境中的冷空气11经空气压缩机19压缩后成为冷压缩空气20，冷压缩空气20进入石英玻璃管束式空气吸热器10内，固体吸热颗粒2吸收太阳能辐射能后温度升高，冷压缩空气20经与固体吸热颗粒2对流换热后被加热为热压缩空气21，热压缩空气21流入空气透平22内做功带动发电机17发电和推动空气压缩机19旋转做功。热压缩空气21在空气透平22内做功后流入蒸汽发生器14内与经水泵15泵入的高压水换热产生过热蒸汽输入至汽轮机16中做功带动发电机17发电，经汽轮机16做功后的过热蒸汽经水换热器18换热后在水泵15的作用下流回蒸汽发生器14，完成水工质的循环。

Claims (3)

1.一种太阳能热发电站用石英玻璃管束式空气吸热器，其特征在于，所述的吸热器由石英玻璃管束(1)、固体吸热颗粒(2)、冷空气集箱(3)、热空气集箱(4)、冷空气入口(5)和热空气出口(6)组成；所述的石英玻璃管束(1)由多根石英玻璃管排列组成，固体吸热颗粒(2)位于石英玻璃管束(1)中的石英玻璃管内部，在工作过程中保持流动；冷空气集箱(3)位于石英玻璃管束(1)的下部，并与石英玻璃管束(1)的下部密封连接；热空气集箱(4)位于石英玻璃管束(1)的上部与石英玻璃管束(1)的上部密封连接，冷空气集箱(3)的侧面或底部开有冷空气入口(5)，热空气集箱(4)的侧面或顶部开有热空气出口(6)。

2.按照权利要求1所说的太阳能热发电站用石英玻璃管束式空气吸热器，其特征在于所述的固体吸热颗粒(2)为耐1200℃以上温度的固体颗粒。

3.按照权利要求1所说的太阳能热发电站用石英玻璃管束式空气吸热器，其特征在于环境中的冷空气(11)经空气压缩机(19)压缩后成为冷压缩空气(20)，冷压缩空气(20)进入石英玻璃管束式空气吸热器(10)内，冷压缩空气(20)与固体吸热颗粒(2)对流换热后被加热为热压缩空气(21)，热压缩空气(21)流入空气透平(22)内做功带动发电机(17)发电和推动空气压缩机(19)旋转做功，热压缩空气(21)在空气透平(22)内做功后流入蒸汽发生器(14)内与高压水换热产生过热蒸汽输入至汽轮机(16)中做功带动发电机(17)发电。

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