CN102818379A - 用于太阳能热发电站的固体粒子空气吸热器 - Google Patents

Abstract

一种用于太阳能热发电站的固体粒子空气吸热器，其吸热器腔体（1）面对聚光辐射能流（14）投射的一侧安装有透光窗口（3）。固体粒子（9）在吸热器腔体（1）内部流动。其主轴（7）与吸热器腔体（1）两端连接处密封。搅拌叶片（2）位于主轴（7）上，与主轴（7）刚性连接。空气进口（13）位于吸热器腔体（1）的底部或侧面，与吸热器腔体（1）连接处密封。空气出口（6）位于吸热器腔体（1）的顶部，与吸热器腔体（1）连接处密封。进料口（4）位于吸热器的顶部或侧面，与吸热器腔体（1）连接处密封。出料口（10）位于吸热器的底部，与吸热器腔体（1）连接处密封。本发明可获得700℃-1600℃、常压或者1MPa压力以上的空气。

Description

用于太阳能热发电站的固体粒子空气吸热器

技术领域

本发明涉及一种塔式太阳能热发电用空气吸热器。

背景技术

经济高度的发展离不开能源支持，随着人们对自然资源的过度利用，化石能源严重短缺甚至已濒临枯竭；大量使用引发的环境恶化等问题日益严重。因此，开发太阳能对于缓解能源短缺，保护环境具有重大意义。

聚光式太阳能热发电技术（CSP）是将太阳能加以会聚加热传热流体，从而将太阳能转化为传热流体的热能，通过水蒸汽等热力循环过程进行发电。塔式太阳能热发电技术由于可以实现高参数和系统的高效率，近年来得到了大力发展。塔式太阳能热发电站通过安装在吸热塔周围的定日镜群会聚太阳能到放置于吸热塔顶部的吸热器内加热传热流体，将太阳能转换为传热流体的热能，并进一步加热发电工质如水蒸汽等通过热力循环过程产生电能。吸热器是将高倍聚集的太阳能转换为传热流体热能的装置，是塔式太阳能热发电站的核心装置。吸热器的热性能直接影响太阳能集热系统的热效率，吸热器出口传热流体为温度直接影响热力循环的效率，因此，在保证吸热器热效率的前提下尽可能地提高传热流体温度是吸热器的关键。以空气为传热流体的塔式太阳能热发电系统近些年得到了长足发展，因为空气在1600℃以下使用无相变过程，易于实现高温。目前得以装备电站和研究的多是容积式吸热器，采用金属密网、蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷等为吸热体，使用过程中吸热体保持不动，由于投入的太阳能聚光辐射能流密度较高且分布不均匀，这种被动式吸热器存在吸热体材料高温氧化和热应力破坏的不足，限制了其获得更高温度空气以提高系统发电效率。以流动的固体粒子为吸热体的粒子式空气吸热器近十年来得到了广泛关注。美国专利US4777934公布了采用带有粒子以压缩空气为传热流体的吸热器，其温度可被加热至700℃，该吸热器无法应用到更高的温度，且其中间过程热量损失较大。美国专利US4499893公布的固体粒子吸热器最高工作温度为800℃，由于采用复杂结构以提高吸热器效率，可靠性不高。美国专利US3908632公布了一种固体粒子吸热器系统，被加热的固体粒子-空气混合物经固体粒子分离、换热后固体粒子和空气循环利用，气固混合物温度在400-750℃，但吸热器结构复杂，效率不高。中国专利CN102135334A公布了基于石英管束的固体粒子空气吸热器，由于采用石英管结构，石英管束间流量分配和受热不均等问题难以解决。

发明内容

本发明的目的是克服现有太阳能热发电站中空气吸热器的缺点：由于太阳能聚光能流密度高并具有不均匀性和不稳定性，造成吸热体材料热应力破坏、空气流动稳定性差以及可靠性不高。提供一种旋转搅拌式固体粒子空气吸热器。

本发明采用石英玻璃为透光窗口，固体粒子为吸热体，耐高温材料如陶瓷或耐热合金钢为搅拌叶片，利用石英玻璃的耐高温和高透光率特性实现透光，利用固体粒子的耐高温和高辐射吸收率特性实现高效吸热，通过搅拌固体粒子实现空气与固体粒子间高效换热。固体粒子受搅拌叶片的搅拌，在吸热器内保持运动，使固体粒子间充分换热，避免了固体粒子吸热器内局部区域粒子群的过热结焦，有效消除了通常容积式吸热器内吸热体材料局部“热斑”影响，可提高吸热器的安全性，延长使用寿命。流动的固体粒子具有储热功能，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、炭黑等耐高温材料作为固体粒子可在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、石墨等固体粒子的导热系数在1200℃时大于10W/（mK），而且具有很高的辐射吸收率，通过设计粒子的形状和大小，可以最大限度吸收投入的太阳辐射能。固体粒子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。

本发明的旋转搅拌式固体粒子空气吸热器，以流动的固体粒子为吸热介质，空气为传热流体。所述的吸热器由吸热器腔体、搅拌叶片、透光窗口、进料口、空气出口、主轴、固体粒子、出料口、空气进口和空气出口等组成。透光窗口位于吸热器面对经聚光的辐射能流投射的一侧，用于将聚光辐射能流投射至吸热器内部并防止固体粒子及空气流出吸热器腔体外。吸热器未工作时固体粒子自由堆积在吸热器腔体内部；吸热器工作时，固体粒子在吸热器腔体内部保持流动。主轴位于吸热器腔体的中心轴线上，用于带动搅拌叶片旋转。搅拌叶片安装在主轴上，搅拌叶片之间的安装角度为360度除以搅拌叶片数量，搅拌叶片与主轴刚性连接；搅拌叶片在其长度方向开有若干个孔，固体粒子可以在搅拌叶片旋转的过程中从搅拌叶片的这些孔中自由下落。空气进口位于吸热器腔体底部或侧面。空气出口位于吸热器腔体顶部。进料口位于吸热器腔体顶部或侧面。出料口位于吸热器腔体底部。吸热器工作在高温环境，吸热器除透光窗口外的部分均包覆有耐高温保温层，以减少热量的散失。

本发明的工作过程如下：

经聚光设备收集的聚光辐射能流投射至透光窗口表面，一部分辐射能流被透光窗口面向聚光辐射能流投入侧的表面反射，一部分聚光辐射能流被透光窗口吸收，一部分聚光辐射能流透过透光窗口投射至吸热器内，这部分投射的聚光辐射能流被吸热器内的搅拌叶片、主轴和流动的固体粒子反射和吸收。

吸热器工作时主轴在电机的带动下做旋转运动，主轴上的搅拌叶片随主轴一起旋转，旋转的搅拌叶片将部分固体粒子从吸热器的底部掀起，固体粒子随搅拌叶片运动至一定高度后从搅拌叶片上的孔中落下，使这部分固体粒子充分吸收自透光窗口投入的聚光辐射能流。下落的固体粒子落到吸热器底部后再次被搅拌叶片掀起。搅拌叶片的旋转使得吸热器内的固体粒子被充分搅拌，固体粒子间发生频繁的碰撞可以充分交换热量，同时固体粒子与吸热器的内壁面间也发生频繁的碰撞，有利于吸热器内的温度均匀。冷空气从吸热器的空气进口进入吸热器腔体内，在空气压力的作用下，堆积于吸热器腔体底部的固体粒子被吹起，流动的空气同时与吸热器腔体内被加热的固体粒子进行对流换热。搅拌叶片的搅拌作用、流入空气的浮升力和固体粒子的重力作用使得吸热器腔体内的固体粒子间充分碰撞并与空气充分接触，实现冷空气与固体粒子间的高效对流换热变为热空气，热空气从空气出口流出。由于固体粒子尺寸较小，使得空气与固体粒子间的传热面积较大，传热效率较高。选择固体粒子直径在0.01-10mm之间，减小粒子直径可以增加空气与固体粒子的换热面积，提高空气与固体粒子间的传热效率。由于搅拌叶片、主轴、透光窗口一直受聚光辐射能流的加热，冷空气进入吸热器内后与搅拌叶片、主轴、透光窗口间也发生对流换热，起到了对搅拌叶片、主轴、透光窗口的冷却作用，可在一定程度避免这些部件的过热破坏。

本发明结构简单、效率高，可按需求设计固体粒子的粒径大小，加之调整空气的流动速度和搅拌叶片转速，可实现对投入的聚光辐射能流的高效吸收和高效加热空气。本发明的吸热器可以获得700℃-1600℃、常压或1MPa以上压力的高温空气，固体粒子、主轴和搅拌叶片等具有储热功能，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本发明旋转搅拌式固体粒子空气吸热器示意图；

图2本发明旋转搅拌式固体粒子空气吸热器左视图；

图3本发明旋转搅拌式固体粒子空气吸热器搅拌叶片示意图；

图中：1吸热器腔体、2搅拌叶片、3透光窗口、4进料口、5热空气、6空气出口、7主轴、8电机、9固体粒子、10出料口、11风机、12冷空气、13空气进口、14聚光辐射能流、15孔。

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所示为本发明旋转搅拌式固体粒子空气吸热器。该吸热器由吸热器腔体1、搅拌叶片2、透光窗口3、进料口4、空气出口6、主轴7、固体粒子9、出料口10，以及空气进口13组成。吸热器腔体1为圆柱形或其它形状，由耐高温材料制成。透光窗口3为吸热器腔体1的一部分，位于吸热器腔体1面对聚光辐射能流14投射的一侧。透光窗口3通常由石英玻璃制成，用于将聚光辐射能流14投射至吸热器内部。透光窗口3与吸热器腔体1连接处密封，以保证吸热器腔体1可以承受一定的压力，并防止固体粒子9及空气从吸热器腔体1中流出。透光窗口3的形状、大小和厚度受投入的聚光辐射能流14的特性决定，其原则是使投入至透光窗口3上的聚光辐射能流14均尽可能多地被固体粒子9吸收。固体粒子9在吸热器未工作时自由堆积在吸热器腔体1的底部。固体粒子9具有较高的辐射吸收率，可在1200℃以上温度长期使用工作，固体粒子9为球形、椭球形或其他形状，其大小可以相同也可以不同，其形状、直径和密度等参数由流入吸热器腔体1内的空气速度分布，以及聚光辐射能流密度的大小和在透光窗口3上的分布决定，其原则是实现固体粒子9与空气充分换热并保持有规律的流动状态，固体粒子的材料可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。主轴7由耐高温材料制成，位于吸热器腔体1的中心轴线上，两端与吸热器腔体1的连接处密封。搅拌叶片2安装在主轴7上，搅拌叶片2之间的安装角度为360度除以搅拌叶片2的数量，搅拌叶片2与主轴7刚性连接；吸热器工作时，搅拌叶片2随主轴7以相同转速进行旋转。搅拌叶片2在其长度方向开有孔15，孔15可以是在搅拌叶片2上预先加工而成的通透缝隙，孔15的截面几何形状可以是条形、圆形或其他形状，孔15的截面积大于固体粒子9的最大截面积，设计原则是使经搅拌叶片2旋转掀起的固体粒子9可以顺利从孔15中自由下落。空气进口13位于吸热器腔体1的底部，与吸热器腔体1连接处密封，其形状可以为圆形、方形或其它形状，其设计原则是保证冷空气12能顺利进入吸热器腔体1内。空气出口6位于吸热器腔体1的顶部，与吸热器腔体1连接处密封，其形状可以为圆形、方形或其它形状，其设计原则是保证热空气5能顺利流出吸热器腔体1外。进料口4位于吸热器腔体1的顶部或侧面，与吸热器腔体1连接处密封，是固体粒子9进入吸热器腔体1的入口，吸热器工作时进料口4保持密闭，进料口4可以是圆形、方形或其他形状，其设计原则是保证固体粒子9能顺利进入吸热器腔体1内。出料口10位于吸热器腔体1的底部，与吸热器腔体1连接处密封，是固体粒子9流出吸热器腔体1的出口，吸热器工作时出料口10保持密闭，出料口10可以是圆形、方形或其他形状，其设计原则是保证固体粒子9能顺利地从吸热器腔体1中流出。风机11通过管道与空气进口13连接，作用是向空气进口13通入冷空气，其位置可灵活放置。电机8通过齿轮或链条与主轴7的一端或两端连接，用于驱动主轴7旋转。

图3所示为搅拌叶片2的形状。搅拌叶片2由耐高温材料制成，搅拌叶片2上开有若干个孔15，孔15的截面大小需保证固体粒子9能顺利从孔15中通过，搅拌叶片2的大小、数量、形状以及孔15的形状、数量和分布由吸热器的规格和制作工艺决定，其原则是保证固体粒子9充分均匀受热，提高吸热器效率。搅拌叶片2的大小由吸热器腔体1的大小决定，搅拌叶片2的数量由吸热器的设计功率决定，搅拌叶片2的形状可以为平面、曲面或其它形状；孔15的形状可以为条形、圆形或其他形状，其数量和分布需满足以下条件：搅拌叶片2随主轴7旋转时，搅拌叶片2上的绝大部分固体粒子9能通过孔15自由落下。

吸热器工作时，风机11不断通过空气进口13向吸热器腔体1内输送冷空气12，电机8以一定转速带动主轴7和搅拌叶片2旋转，搅拌叶片2对固体粒子9进行搅拌，经太阳能聚光场提供的聚光辐射能流14投射至透光窗口3的外表面，聚光辐射能流14的绝大部分辐射能透过透光窗口3至吸热器内随搅拌叶片2和空气流动的固体粒子9上。搅拌叶片2旋转时，部分固体粒子9随搅拌叶片2一同升高，当搅拌叶片2旋转到一定角度时，固体粒子9从搅拌叶片2上的孔15滑落，形成由多个粒子组成的“粒子帘”，“粒子帘”充分暴露在经透光窗口3透过的聚光辐射能流14下，有利于辐射能量的充分吸收和固体粒子9均匀被加热，如图2所示。由于受搅拌叶片2的带动、空气的浮升力、固体粒子9自身重力及固体粒子9的碰撞力等作用，固体粒子9在吸热器腔体1内始终保持运动状态。固体粒子9具有较高的吸收率，聚光辐射能流14被固体粒子9吸收并转化为固体粒子9的热能，少部分聚光辐射能流被透光窗口3、搅拌叶片2、主轴7和吸热器腔体1的内壁面吸收。被加热的固体粒子9、透光窗口3、搅拌叶片2、主轴7和吸热器腔体1与来自空气进口13的冷空气12进行对流换热，将冷空气12加热为热空气5后从空气出口6流出，实现了太阳能到空气热能的转换。

Claims (4)

1.一种用于太阳能热发电站的固体粒子空气吸热器，其特征在于，所述的吸热器由吸热器腔体（1）、搅拌叶片（2）、透光窗口（3）、进料口（4）、空气出口（6）、主轴（7）、固体粒子（9）、出料口（10），以及空气进口（13）组成；所述的透光窗口（3）位于吸热器腔体（1）面对聚光辐射能流（14）投射的一侧，透光窗口（3）与吸热器腔体（1）连接处密封；所述的固体粒子（9）堆积在吸热器腔体（1）内；所述的主轴（7）位于吸热器腔体（1）的中心轴线上，主轴（7）的两端与吸热器腔体（1）连接处密封；搅拌叶片（2）安装在主轴（7）上，与主轴（7）刚性连接；空气进口（13）位于吸热器腔体（1）的底部或侧面，与吸热器腔体（1）连接处密封；空气出口（6）位于吸热器腔体（1）的顶部，与吸热器腔体（1）连接处密封；进料口（4）位于吸热器的顶部或侧面，与吸热器腔体（1）连接处密封；出料口（10）位于吸热器的底部，与吸热器腔体（1）连接处密封。

2.按照权利要求1所述的用于太阳能热发电站的固体粒子空气吸热器，其特征在于所述的固体粒子（9）为耐1200℃以上温度的固体粒子。

3.按照权利要求1所述的用于太阳能热发电站的固体粒子空气吸热器，其特征在于所述的主轴（7）与搅拌叶片（2）刚性连接；所述的主轴（7）的两端与吸热器腔体（1）连接处密封。

4.按照权利要求1所述的用于太阳能热发电站的固体粒子空气吸热器，其特征在于所述的搅拌叶片（2）在其长度方向上开有孔（15），孔（15）的截面积大于固体粒子（9）的最大截面积。

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