CN102353153A - 一种用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其包括外壳，置于外壳内的吸热体安装环，该吸热体安装环内部装有吸热体；外壳前端设有带采光口的前端板，外壳内壁与多孔壁围成环形流道；所述采光口覆盖有玻璃罩板。经汇聚的阳光透过玻璃罩板，投射在吸热体内部不同的部位，逐渐被吸收并转化为热能；来自上游的冷空气进入环形流道后一部分吹向玻璃罩板内壁，对其进行冷却，然后所有气流流过吸热体，吸热、升温，最终排出吸热器。本发明不仅实现吸热体体积范围内的换热，也可对玻璃罩板进行有效冷却，具有吸热体换热系数大、宏观热应力低、可靠性高等特点。

Description

一种用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器

技术领域

本发明涉及一种用于碟式或者塔式太阳能热发电系统的吸热器，可将经聚光装置汇聚的阳光转化为热能，并顺利传递给做功工质对外输出。

技术背景

太阳能因其储量无限性、分布普遍性、利用清洁性及经济性等特征被普遍看好，被认为是最具发展前景、最能解决未来社会发展能源需求不断增长的新能源之一。其中，太阳能热发电因具有与电网负荷的配适性较好、光电转化效率高、容易产生规模效应、耗材的制造过程更加环保、电力可调性更好等特点，被认为是未来太阳能发电利用的重要发展方向。

太阳能热发电的基本技术思路是：将阳光汇聚，提高光能的能量密度，通过吸热装置将汇聚后的光能吸收，并转化为热能，将热能传递给工质，使工质内能升高，然后通过热机将工质中的内能转化为机械能，并驱动发电机，将机械能转化为电能输出。其中，将光能高效转化为热能并顺利、快速、可靠地传递给工质是很重要的一环。

对于碟式发电系统和塔式发电系统来说，基于布雷顿循环(Brayton Cycle)的燃气轮机可直接采用空气作为工质，即空气经压气机压缩后，在吸热器中吸热、升温，然后进入涡轮机膨胀、做功，机械功反过来驱动压气机及发电机，对外输出电流。其结构简单、没有斯特林机那样的苛刻密封要求，且工质直接来自大气、排入大气，具有可靠性高、稳定性及维护性较好等优点，因而采用燃气轮机作为热机是目前太阳能热发电系统的重要发展方向之一。

虽然燃气轮机作为太阳能热发电系统的热机具有很多优点，但是设计与之配套、满足可靠性要求的吸热器一直是个难题，主要体现在两个方面：一是如何将能量密度很高的热能快速传递给空气(将工质快速加热)并不容易，因为一般的吸热体材料对阳光都是不透明的，即吸收阳光生热、对空气散热都主要发生在吸热体的表面或者接近表面的薄层内，这样很容易导致吸热体局部超温而烧毁，或者吸热体热应力过高而破裂；二是吸热器采光口上一般都设有一道密封吸热器内部高压空气的石英玻璃罩板，玻璃罩板的一侧承受吸热器内部的压力，另一侧往往直接暴露在空气中，难免有灰尘沉积在其表面，阳光透过玻璃罩时，玻璃罩本身会吸收部分热量，加之其表面沉积的灰尘会使玻璃罩板对阳光的吸收能力剧增，如果不对玻璃板进行及时的降温，就会导致玻璃板的温度超过其许用温度而出现软化、融化等情况，使用寿命不长。基于上述两个方面的原因，涉及满足燃气轮机太阳能热发电系统的吸热器至今尚未很好解决。

发明内容

针对现有燃气轮机太阳能热发电系统吸热器目前存在的难题，本发明旨在提供一种用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，该换热吸热器实现了在其吸热体体积范围内吸收光能、与空气换热，克服了吸热体与空气之间的快速换热难题的同时，也解决了采光口玻璃罩板散热难的问题，从而使吸热器的可靠性及寿命都有了较大幅的提高。

为了实现上述目的，本发明的所采用的技术方案是：所述用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，包括外壳，其结构特点是：所述外壳内装有吸热体安装环，该吸热体安装环内部设有由耐热金属丝稀疏布置构成、阳光能够深度透入内部的吸热体；所述外壳前端设有前端板，该前端板上开有采光口，该采光口上装有透明罩板，所述吸热体与前端板之间形成集热腔，该集热腔与设置在外壳外侧的进气管连通，所述外壳后端装有排气管。

所述外壳由外壳直段、外壳锥段固定连接在一起，组成外壳整体，外壳直段前端设有前端盖，前端盖上开有一个采光口，采光口被一道向内凸的透明罩板遮住，所述透明罩板优选为玻璃罩板；所述外壳直段前端与多孔壁共同组成环形流道，其上设有数根导流管或者一道环形的导气缝，导流管或者导气缝出口部位在凸起的玻璃罩板附近；外壳内壁与吸热体安装环配合，由稀疏布置的耐热金属丝构成的吸热体处于吸热体安装环内部；所述外壳锥段与热空气出口相连，组成所述环形流道对应的外壳直段与冷空气进口连通。

进一步地，所述外壳前部与集热腔之间设有环形的多孔壁，该外壳内壁与多孔壁形成与所述进气管连通的环形流道，所述环形流道通过设在多孔壁上的至少一排通孔与集热腔连通。所述多孔壁上设有位于集热腔内的至少一根导流管，该导流管的出口位于所述透明罩板内壁一侧。所述前端板的前侧设置冷却气导管，所述冷却气导管的出口喷嘴处于所述采光口的一侧。

藉由上述结构，经汇聚的阳光从采光口透过玻璃罩板，投射在吸热体上，进入吸热体的内部逐渐被耐热金属丝所吸收，转化成热能。冷空气进入环形流道之后，一部分通过多孔壁进入集热腔，一部分通过导流管吹在玻璃罩板上之后进入集热腔，两部分气流在集热腔汇合后通过吸热体，吸收热量，温度升高，最形成热空气从排气管排出。

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1所示，外壳直段4与外壳锥段7紧固连接一体，形成吸热器的外壳，所述外壳锥段7小端与排气管8紧固连接，外壳直段4与前端盖3紧固连接，由所述前端板3、外壳直段4、外壳锥段7共同组成一个空腔。

所述前端板3的中间部位开一采光口2，采光口2上设有对阳光具有高透过性的玻璃罩板9，为了玻璃罩板9与前端板3之间的密封性，设有紧固在前端板3内侧的压环10压在玻璃罩板9上。所述玻璃罩板9与前端板3及压环10之间的结合面可涂一层耐高温的胶或其他密封材料。

在图1的基础上结合图2、图5，所述外壳直段4外侧设有进气管13，外壳直段4前部内侧设有多孔壁17，由外壳直段4内壁及多孔壁17共同构成环形流道18，所述进气管13与环形流道18连通。所述多孔壁17上除了设有一圈或者多圈通孔19之外，还呈辐射状设有多个导流管11或一道导流缝，导流管11或者导流缝的出口处于玻璃罩板9的内侧附近。

所述外壳直段4及外壳锥段7的内部设有吸热体安装环6，吸热体5处于吸热体安装环6的内部。吸热体5在进气一侧有一个凹坑，与多孔壁17、前端板3、玻璃罩板9共同围成集热腔15。所述吸热体5微观结构如图4所示，由稀疏布置的耐热金属丝23构成，所述耐热金属丝23可以是实心的金属线，也可以是由实心金属细线经过绕制后拉伸成的螺旋状或弹簧状的曲线。

本发明的工作原理是：

参见图1并结合图2、图4，经聚光碟、定日镜等阳光汇聚装置汇聚后的阳光1进入采光口2，并投射在玻璃罩板9上，由于玻璃罩板9材料本身对光线的吸收特性及大气一侧沉积灰尘等方面的原因，玻璃罩板9会吸收部分阳光而温度升高，没有被玻璃罩板9吸收的阳光进入集热腔15，投射在吸热体5上。由于构成吸热体5的耐热金属丝稀疏23布置，投射在吸热体5上的阳光可以深入吸热体5，并不断地被耐热金属丝23吸收，通过对耐热金属丝23的合理布置，可使透入的阳光22不能完全透过吸热体5，最终全部被吸收而产生热能，使耐热金属丝的温度升高。

同时，来自上游压气机的高压空气12从进气管口13进入环形通道18，一部分直接经过多孔壁17上的通孔19进入集热腔，另一部分通过导流管11排出，并形成冷却气射流16在玻璃罩板9的内壁上流过，带走玻璃罩板9上的热量而使其温度维持在允许的范围内。两部分气流在集热腔15中汇合之后形成吸热气流21进入吸热体5，与吸热体5中的耐热金属丝23发生对流换热，带走耐热金属丝23上的热量而温度不断。当吸热气流21透过吸热体5之后，即成了热空气8，然后经设置在外壳锥段7上的排气管14，送往下游的涡轮机做功。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)由于构成吸热体的耐热金属丝结构是稀疏布置，阳光可透入吸热体较深，实现了吸热体体积范围内的吸热与换热方式，增加了吸热体对阳光吸收的均匀性，增强了吸热体与空气之间的对流换热面积，加之细金属丝具有较大的比表面积，从而大大增强了吸热体与空气之间的换热能力，可使吸热体产生的热能更加顺畅、快速地传递给空气；

2)由于吸热体采用的是耐热金属丝，具有较高的导热系数，因此吸热体具有很好的热扩散能力，可使整个吸热体的温度分布比较均匀，避免了多孔陶瓷换热体因温度分布不均匀而局部烧蚀及热应力过高而炸裂的情况；

3)采用冷空气射流对采光口玻璃罩板进行持续的冷却，由于冷却气流可根据导流管的数量和截面积的变化为变化，从而可使的玻璃罩板的温度可控，可较好地解决了玻璃板过热的问题。

附图说明

图1是本发明一种实施例的纵向剖视图示意图；

图2是图1中I处局部放大视图的第一种方案；

图3是图1中I处局部放大视图的第二种方案；

图4是图1中II处局部放大视图；

图5是图1中A-A向剖视图；

图6是本发明另一种实施例的纵向剖视图示意图；

图7是图6中B向视图；

图8是图7中III处局部放大视图；

图9是本发明第三种实施例的纵向剖视图示意图；

图10是图9中C-C向剖视图；

在图中：

1-汇聚的太阳光；   2-采光口；         3-前端盖；

4-外壳直段；       5-吸热体；         6-吸热体安装环；

7-外壳锥段；       8-热空气；         9-透明罩板；

10-压环；          11-导流管；        12-冷空气；

13-进气管；        14-排气管；        15-集热腔；

16-冷却射流；      17-多孔壁；        18-环形流道；

19-通孔；          20-导流管；        21-吸热气流；

22-透入的阳光；    23-耐热金属丝；    24-冷却气导管；

25-外部冷却气流；  26-导叶；          27-喷嘴；

28-冷空气套；      29-进气孔；        30-导流管；

31-环形空间。

具体实施方式：

本发明的核心为提供一种碟式太阳能发电系统的吸热器，其可将汇聚的阳光能转化为热能，并传递给工质，具有吸热均匀、导热能力强、玻璃罩板温度可控等特征，具体实施方式如下：

实施例1

一种用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，如图1所示，包括由外壳直段4与外壳锥段7共同组成吸热器的外壳，所述外壳锥段7的后端与排气管14紧固连接，所述外壳直段4外侧设有进气管13，前端设有前端盖3，由所述前端板3、外壳直段4、外壳锥段7共同组成一个空腔，外壳锥段7与排气管14连接。

所述前端板3的中间部位开一采光口2，采光口2通过被玻璃罩板9覆盖，紧固在前端板3内侧的压环10压在玻璃罩板9上。

如图1和图2所示，所述外壳直段4内侧设有多孔壁17，由外壳直段4内壁及多孔壁17共同构成环形流道18，所述进气管13与环形流道18连通。所述多孔壁17上除了设有一圈或者多圈通孔19之外，还呈辐射状设有多个导流管11，导流管11的出口处于玻璃罩板9的内侧附近。所述导流管11的形状可以是图2所示的直管形式，也可是如图3所示的分叉管形式，或者其他形式，例如环形的吹气缝。

所述外壳直段4及外壳锥段7的内部设有吸热体安装环6，吸热体5处于吸热体安装环6的内部。吸热体5在进气一侧有一个凹坑，与多孔壁17、前端板3、玻璃罩板9共同围成集热腔15。所述吸热体5微观结构如图4所示，由稀疏布置的耐热金属丝23构成，所述耐热金属丝23可以是直线状的实心金属细线，也可以是由实心金属细线经过绕制后拉伸成的螺旋状(或弹簧状)。

实施例2

如图6和图7所示，与实施例1不同之处在于：在前端板3的外侧设有至少一道冷却气导管24，所述冷却气导管24流动的外部冷却空气流25可以是引自上游冷空气进气口13或者环形流道18的冷空气12，也可以是额外空气泵提供冷空气。所述冷却气导管24出口部位设有喷嘴27，喷嘴27的出口部位处于采光口2的边缘。所述喷嘴27的出口形状之一如图8所示，设计成扁平状，内置数道导叶26，使其喷出的冷却气流紧贴玻璃罩板9的外壁面的同时，满足设计的流场分布特征。这部分冷却气流的作用在于：一方面起到对玻璃罩板9的冷却作用，另一方面起到清除玻璃罩板9外壁面沉积的灰尘的作用。喷嘴27的具体结构及形状还可以是其它的形式。

实施例3

如图9和图10所示，本实施例与实施例1不同之处在于：1、取消了多孔壁17，在前端板3的前侧设置冷空气套28，所述冷空气套28与前端板3形成环形空间31，由冷空气套28及前端板3围成的环形空间代替环形流道18，所述进气管13连接在冷空气套28上，所述前端板3上开有至少一排进气孔29，所述集热腔15通过该进气孔29与环形空间31连通；2、在前端板3上设有数个穿过前端板3的导流管30，导流管30的出口也处于玻璃罩板9的内壁附近，导流管30面向玻璃罩板9的一侧可开一个或者数个孔，以便组织玻璃罩板9周围的冷却气流。

Claims (10)

1.一种用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，包括外壳，其特征是，所述外壳内装有吸热体安装环(6)，该吸热体安装环(6)内部设有由耐热金属丝(23)稀疏布置构成、阳光能够深度透入内部的吸热体(5)；所述外壳前端设有前端板(3)，该前端板(3)上开有采光口(2)，该采光口(2)上装有透明罩板(9)，所述吸热体(5)与前端板(3)之间形成集热腔(15)，该集热腔(15)与设置在外壳外侧的进气管(13)连通，所述外壳后端装有排气管(14)。

2.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述外壳由外壳直段(4)及外壳锥段(7)组成。

3.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述外壳前部与集热腔(15)之间设有环形的多孔壁(17)，该外壳内壁与多孔壁(17)形成与所述进气管(13)连通的环形流道(18)，所述环形流道(18)通过设在多孔壁(17)上的至少一排通孔(19)与集热腔(15)连通。

4.根据权利要求3所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述多孔壁(17)上设有位于集热腔(15)内的至少一根导流管(11)，该导流管(11)的出口位于所述透明罩板(9)内壁一侧，所述导流管(11)为直管、分叉管或环形的吹缝。

5.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述前端板(3)的前侧设置冷却气导管(24)，所述冷却气导管(24)的出口喷嘴(27)处于所述采光口(2)的一侧。

6.根据权利要求5所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述喷嘴(27)的出口形状为扁平状，内置数道导叶(26)。

7.根据权利要求5所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述的冷却气导管(24)的进气口与所述进气管(13)、环形流道(18)或空气泵连通。

8.根据权利要求1所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述前端板(3)的前侧设置冷空气套(28)，所述冷空气套(28)与前端板(3)形成环形空间(31)，所述进气管(13)连接在冷空气套(28)上，所述的前端板(3)上开有至少一排进气孔(29)，所述集热腔(15)通过该进气孔(29)与环形空间(31)连通。

9.根据权利要求8所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述前端板(3)上设有位于集热腔(15)内的至少一根导流管(30)，该导流管(30)的出口位于所述透明罩板(9)内壁一侧，所述导流管(30)为直管、分叉管或环形的吹缝。

10.根据权利要求1～9之一所述的用于太阳能热发电系统的体积换热吸热器，其特征是，所述的耐热金属丝(23)为实心金属细丝，该实心金属细丝为直线状、弹簧状或者螺旋状。

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