CN102519151B - 一种塔式太阳能热发电用板式吸热器 - Google Patents

Abstract

一种塔式太阳能热发电用板式吸热器，包括吸热板(1)和至少一个非直接吸收辐射的平板或槽式弯板。吸热板(1)与非吸收辐射的平板或槽式弯板平行近距离布置，两者之间形成的狭长夹缝作为吸热工质流通的狭长通道(2)。狭长通道(2)在吸热工质的上下游分别通过一个渐缩的扁平通道与吸热器的进出口管连接。吸热板(1)面向太阳辐射一面涂有高吸收率涂层，面向吸热通道一面布置扰流元件(11)。吸热板(1)布置在采光口上或在远离采光口的吸热器内部。本发明可用于中、高温太阳能热发电，以及其它中、高温太阳能热利用领域。

Description

一种塔式太阳能热发电用板式吸热器

技术领域

本发明涉及一种塔式太阳能热发电用高温吸热器，尤其涉及一种板式吸热器。

背景技术

太阳能聚光热发电技术一般包括槽式、菲涅耳式、塔式和碟式技术，其中塔式技术由于可以实现较高的吸热温度继而产生较高的运行参数，电站的总体效率较高。塔式太阳能热发电中目前使用的吸热器按照工质区分主要有水/水蒸汽、导热油、熔融盐、空气及液态金属等。其中水/水蒸汽吸热器结构类似于电站燃煤锅炉，通常由水冷壁、过热器和再热器等组成，主要由不锈钢列管排列组成，过冷水在吸热器内被加热到饱和蒸汽或过热蒸汽状态。

使用导热油或熔融盐的吸热器内不存在吸热工质的相变过程，其吸热器也主要是利用锅炉换热原理，吸热工质通过接收太阳聚光辐射不锈钢列管被从低温加热到高温，如美国公开专利US6701711，US5862800提到的熔融盐吸热器。

此种由不锈钢列管排列组成的吸热器设备结构复杂，成本较高，对于抗腐蚀性及运行的温度范围有着严格的要求，导致系统控制十分复杂，这会严重影响吸热器的安全稳定运行。此外，塔式吸热器分布在采光口内的聚光太阳辐射近似高斯分布：中心最高，然后向四周逐渐降低。这也导致了不锈钢列管的温度分布严重不均匀，使得不锈钢列管面临因多次起停带来的蠕动疲劳失效。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述现有塔式太阳能热发电吸热器的缺点，提供一种结构简单、成本较低、疲劳失效风险低的塔式太阳能热发电用板式吸热器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明的一种塔式太阳能热发电用板式吸热器，包含一个吸热板，吸热板为平板或槽式弯板，还包括至少一个非直接吸收辐射的平板或槽式弯板。所述的吸热板与非吸收辐射的平板或槽式弯板平行近距离布置，两者之间形成距离在1mm-200mm范围内的狭长夹缝，作为吸热工质的通道。此狭长通道在吸热工质上游的一端通过一个渐扩的扁平管道与吸热器的进口管连接；此狭长通道在吸热工质下游的一端通过一个渐缩的扁平管道与吸热器的出口管连接。吸热器工作时，吸热工质从吸热器的进口管进入吸热器，经过渐扩扁平管道的流动导向，进入吸热工质的狭长通道，并在狭长通道内被吸热板加热或直接吸收太阳辐射被加热，然后经过吸热器出口处的渐缩的扁平管道的汇集后从吸热器的出口管流出，完成吸热工质在塔式吸热器的吸热过程。

所述吸热板为耐高温不锈钢板，吸热板的吸热面与聚光太阳辐射垂直，吸热板在面向太阳辐射一面涂有一层高吸收率涂层，以增加吸热板吸收太阳辐射的能力，涂层的可见光谱吸收率一般大于90％。

所述吸热器根据吸热板布置位置的不同有两种吸热方式。当吸热板直接布置在吸热器采光口上时，所述的非直接吸收辐射的平板或槽式弯板布置在吸热板的背部，为不锈钢平板或槽式弯板，不直接吸收辐射。吸热工质流经狭长通道时通过对流换热方式被高温的吸热板加热。当吸热板布置在远离采光口一侧的吸热器内部时，吸热板的面向太阳辐射的一侧布置一块平板或槽式弯板耐高温的透明玻璃板，与吸热板平行近距离布置，作为吸热器采光口。聚光太阳辐射透过透明玻璃板后，部分辐射被狭长通道内流动的吸热工质直接吸收，剩余的辐射被吸热板吸收。此时吸热工质流经狭长通道时通过两种方式被加热：直接吸收太阳辐射被加热，同时被吸热板通过对流换热方式加热。当采取上述第二种布置方式时，吸热板背部也可以平行近距离布置一块非直接吸收辐射的平板或槽式弯板，以在吸热板背部形成狭长通道，此时吸热工质按照U型方向，先流经吸热板背面的狭长通道被吸热板预热，然后折回流经吸热板正面的狭长通道被继续加热。

所述狭长通道的横截面为扁平形状，如大高宽比的长方形，或者中间宽两边窄的月牙形等。采用中间宽两边窄的扁平截面，是为了使吸热流体在流道中能被均匀的加热。塔式吸热器分布在采光口内的聚光太阳辐射近似高斯分布：中心最高，然后向四周逐渐降低。这也同时导致了吸热板在中心位置温度最高。当采用中间宽两边窄的扁平界面时，中心处的吸热工质流量比两边大，可以更有效的吸收中心处较大的太阳辐射带来的热量。这既可以保证吸热流体在吸热通道内被均匀的加热，又可以有效的降低吸热板的温差，降低热疲劳风险。

所述吸热板在面向吸热工质流通的狭长通道的一面可以布置不同类型的扰流元件，比如在吸热板上焊接一系列条状扰流单元。所述扰流元件可以在吸热工质流经吸热通道时引起吸热工质的紊流扰流，强化吸热工质与吸热板的对流换热，从而增加吸热工质的吸热能力。

所述吸热介质为吸热过程中不发生相变的纯液体，如熔融盐、高温导热油等液体，或者是液体内部均匀分散金属或非金属粉体的不发生相变的液体，一方面有利于增加对流换热能力，另外一方面可以在使用透明玻璃板采光口时，增加液体本身的直接吸收辐射能力。

综上所述，本发明的主要优点在于：

1、所述塔式太阳能板式吸热器无吸热列管，避免了吸热列管热疲劳引起的吸热器失效。

2、所述塔式太阳能板式吸热器的主要结构单元是具有直接吸收辐射功能和非直接吸收辐射功能的平板或槽式弯板，结构简单，材料成本及加工、安装成本低。

基于上述优点，本发明涉及的塔式太阳能板式吸热器，在中、高温太阳能热发电领域，具有显著的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1的吸热器结构示意图：图1a为系统侧视图，图1b为系统主视图，图1c为系统A-A截面俯视图；

图2为本发明实施例2的吸热器结构示意图：图2a为系统侧视图，图2b为系统B-B截面俯视图；

图3为本发明实施例2的吸热器内吸热板上扰流元件的布置示意图；

图4为本发明实施例3的吸热器结构示意图：图4a为系统侧视图，图4b为系统主视图，图4c为系统C-C截面俯视图；

图中：1带有吸热涂层的吸热板、2吸热工质流道、3透明玻璃板、4渐缩导流通道、5吸热器出口管、6隔热保温层、7吸热器进口管、8渐扩导流通道、9吸热工质流动方向示意、10金属弯板、11扰流单元、12二次聚光器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明的塔式太阳能板式吸热器包含一个吸热板1，吸热板1为平板或槽式弯板，还包括至少一个非直接吸收辐射的平板或槽式弯板。所述的吸热板1与非吸收辐射的平板或槽式弯板平行近距离布置，两者之间形成距离在1mm-200mm范围内的狭长夹缝，作为吸热工质的通道。此狭长通道2在吸热工质上游的一端通过一个渐扩的扁平管道8与吸热器的进口管7连接；此狭长通道2在吸热工质下游的一端通过一个渐缩的扁平管道4与吸热器的出口管5连接。吸热器工作时，吸热工质从吸热器的进口管7进入吸热器，经过渐扩扁平管道8的流动导向，进入吸热工质的狭长通道2，并在狭长通道2内被吸热板1加热或直接吸收太阳辐射被加热，然后经过吸热器出口处的渐缩的扁平管道4的汇集后从吸热器的出口管5流出，完成吸热工质在塔式吸热器的吸热过程。

图1为本发明实施例1的塔式太阳能板式吸热器的结构示意图。本实施例涉及的吸热板1布置在吸热器内部，不锈钢吸热板1在面向太阳辐射的表面上涂有高吸收率的涂层，涂层的可见光谱吸收率一般大于90％。本实施例涉及一块非直接吸收辐射的平板和一块非直接吸收辐射的弯板。所述的非直接吸收辐射的平板为耐高温的石英透明玻璃板3，作为采光口；所述的一块非直接吸收辐射的弯板为不锈钢弯板10。不锈钢弯板10在吸热板1背部的部分为平板，且与透明玻璃板3平行，经弯折后和透明玻璃板3密封连接，使得透明玻璃板3与金属弯板10围成一个扁平的空间。吸热板1插入透明玻璃板3与金属弯板10围成的扁平空间，且与透明玻璃板3平行。这样，如图1a和1c所示，在吸热板1的前后空间形成了截面为矩形的吸热工质的U型狭长通道2。狭长通道2在吸热工质上游的一端通过一个渐扩的扁平导流通道8与吸热器的进口管7连接，此吸热工质上游的一端布置在吸热板1背面。狭长通道2在吸热工质下游的一端通过一个渐缩的扁平导流通道4与吸热器出口管5连接。为了降低热损失，除了采光口处的透明玻璃板3外，吸热器外部包裹隔热保温层6。

所述的吸热器工作时，聚光太阳辐射透过透明玻璃板3照射到透明玻璃板3和吸热板1之间的吸热工质上，部分聚光太阳辐射会透过吸热工质照射到吸热板1上，使得吸热板1的温度升高。吸热工质从吸热器的进口管7进入吸热器，经过渐扩的扁平导流管道8的流动导向，首先流过吸热板1的背部的狭长通道2，并被吸热板1通过对流换热的方式加热。然后吸热工质经过背部的狭长通道2后流过吸热板1正面的通道，并以直接吸收太阳聚光辐射和与高温吸热板1对流换热相结合的方式被继续加热。被加热的吸热工质经过出口处的渐缩的扁平管道4的汇集后从吸热器出口管5流出，完成吸热工质在塔式吸热器的吸热过程。

图2为本发明实施例2的塔式太阳能板式吸热器的结构示意图。实施例2涉及的吸热板1也布置在吸热器内部。与实施例1不同的是，本实施例中的吸热板1为正面喷涂高吸收率涂层的不锈钢槽式弯板，且与透明玻璃板3密封连接的金属弯板10在吸热板1背面的部分也为槽式弯板。这样，如图2b所示，吸热板1插入透明玻璃板3与金属弯板10形成的扁平空间，所形成的吸热工质的狭长通道2的横截面为月牙形。月牙形的狭长通道2的横截面如图2b中的通道4所示，特点是中间部分厚度最大，厚度向两边逐渐变窄。因为塔式吸热器分布在采光口内的聚光太阳辐射近似高斯分布，中心最高，然后向四周逐渐降低，采用中间宽两边窄的月牙形的狭长通道时，中心处的吸热工质流量比两边大，可以更有效的吸收中心处较大的太阳辐射带来的热量。这既可以保证吸热工质在吸热通道内被均匀的加热，又可以有效的降低吸热板的温差，降低热疲劳风险。

此外，如图2所示，本发明实施例2的吸热板1的面向采光口的一侧布置了一系列条状扰流元件。布置所述扰流元件是为了在吸热工质流经吸热通道时引起吸热工质的紊流扰流，可以强化吸热工质与吸热板的对流换热，从而增加吸热工质的吸热能力。

图3为本发明实施例2的吸热板上扰流元件的形状和布置方式示意图。可以看出，吸热板上布置了多排扰流单元，每个扰流单元按照一定角度焊接在吸热面上。在具体布置扰流单元时，需要综合考虑扰流元件的扰流效果和流体压力随之增加带来的附加泵功。

图4为本发明实施例3的塔式太阳能板式吸热器的结构示意图。本实施例涉及的吸热板1布置在吸热器外部。如图4a所示，带有高吸收率涂层的吸热板1为不锈钢平板，直接布置在采光口上，不锈钢平板作为吸热板被聚光太阳辐射直接加热。为了改善聚光效果，采光口处可以布置二次聚光器12。在吸热器内部，与吸热板1密封连接一个非直接吸收辐射的槽式金属弯板10作为流道壁。如图4c所示，吸热板1与金属弯板10之间形成了截面为月牙形的吸热工质狭长通道2，月牙形通道的最大距离一般小于200mm。如图4a和4b所示，狭长通道2的上端通过一个渐扩的扁平导流通道8与布置在吸热器上端的进口管7连接。狭长通道2的下端通过一个渐缩的扁平导流通道4与布置在吸热器下端的出口管5连接。为了强化吸热工质与吸热板的对流换热，在吸热板1的面向吸热通道的一侧布置了一系列条状扰流单元11。为了降低热损失，除了采光口处的吸热板部分，吸热器外部包裹保温层6。

所述的吸热器工作时，聚光太阳辐射直接照射到吸热板1上，将吸热板1加热成高温。吸热工质从吸热器上端的吸热器进口管7进入吸热器，经过渐扩扁平管道8的流动导向，直接向下流过吸热板1正面的通道2，并以和高温吸热板1对流换热的方式被加热。被加热的吸热工质经过出口处的渐缩的扁平管道4的汇集后从吸热器下端的出口管5流出，完成吸热工质在所述吸热器的吸热过程。

上面结合附图对本发明实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种塔式太阳能热发电用板式吸热器，其特征在于，所述的吸热器包括一个直接聚光太阳辐射的吸热板（1），吸热板（1）为平板或槽式弯板；

所述的吸热板（1）为槽式弯板时，采光口上布置有一个透明玻璃板（3），此时所述的吸热板（1）布置在透明玻璃板（3）后面的吸热器内部，所述的吸热板（1）和透明玻璃板（3）平行近距离布置，两者之间形成吸热工质流通的中间宽两边窄的月牙形狭长通道（2）；

所述的吸热板（1）为平板时吸热板（1）布置在采光口上，此时在吸热器内部与吸热板（1）密封连接一个非直接吸收辐射的槽式金属弯板（10），所述的吸热板（1）与非直接吸收辐射的槽式金属弯板（10）之间形成了截面为月牙形的吸热工质狭长通道（2）；

所述的狭长通道（2）在吸热工质的上游的一端通过渐扩的扁平管道（8）与吸热器的进口管（7）连接；所述的狭长通道（2）在吸热工质下游的一端通过渐缩的扁平管道（4）与吸热器的出口管（5）连接；吸热器工作时，吸热工质从吸热器的进口管（7）进入吸热器，经过渐扩的扁平管道（8）的流动导向，进入狭长通道（2），并在狭长通道（2）内被吸热板（1）加热或直接吸收太阳辐射被加热，然后经过吸热器出口处的渐缩的扁平管道（4）的汇集后从吸热器的出口管（5）流出，完成吸热工质在吸热器的吸热过程。

2.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能热发电用板式吸热器，其特征在于，所述的吸热板（1）与非直接吸收辐射的槽式金属弯板（10）或透明玻璃板（3）之间的距离在1mm-200mm范围内，所述的吸热板（1）与非直接吸收辐射的槽式金属弯板（10）或透明玻璃板（3）之间的距离为所述的狭长通道（2）的截面宽度。

3.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能热发电用板式吸热器，其特征在于，所述的吸热板（1）采用不锈钢板制作；所述的吸热板（1）在面向太阳辐射的一面涂有涂层，涂层的可见光谱吸收率大于90%；所述的吸热板（1）在面向狭长通道（2）的一面布置有扰流元件。

4.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能热发电用板式吸热器，其特征在于，所述的吸热工质为吸热过程中不发生相变的纯液体，或内部均匀分散金属或非金属粉体的不发生相变的液体。

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