CN103062743B - 一种腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，包括太阳能接收器和锅炉汽包，所述太阳能接收器由多个腔体式接收器组成，腔体为扇形截面，所述腔体内设置有膜式壁，所述膜式壁中设置有辐射换热管；所述腔体式接收器底部设置有辐射底板；所述锅炉汽包上设置有上升管和下降管；所述辐射换热管的上端通过连接管道连接至锅炉汽包的上升管，所述辐射换热管的下端通过连接管道连接至锅炉汽包的下降管。采用本发明提供的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，可产生1.27～5.88MPa的低压至次高压饱和蒸汽，膜式壁辐射接受面可承受最高800kW/m2的热流密度；由于采用了饱和蒸汽系统，降低了太阳能锅炉辐射接受面的材质耐温要求，从而降低了锅炉造价。

Description

一种腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉
技术领域
本发明涉及一种太阳能热利用领域的太阳能接收器，尤其涉及的是一种腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉。
背景技术
太阳能接收器是太阳能热发电系统的核心部件之一。按照聚焦方式的不同，太阳能热发电主要有抛物槽式系统，线性菲涅尔反射式系统(CLFR)，中心塔式系统和碟式/斯特林系统；对应的接收器也有所不同，其中槽式和线性菲涅尔反射式主要是聚焦线式或管式接收器，一般采用金属吸热芯的真空管或热管真空管，碟式则一般采用空腔式或热管式接收器。抛物槽式系统和线性菲涅尔反射式系统由于采用线式管式接收器，接收器热损失较大，聚光比一般比塔式和碟式低，载热介质的温度也受到限制(一般不超过400℃)，整体的效率不高；碟式/斯特林系统单体功率小，更适合于分布式系统，且造价在三种太阳能热发电系统中最为昂贵；中心塔式系统被业界认为是未来最有发展前途的大型太阳能热发电系统的聚焦方式，美国、以色列、西班牙等西方国家先后投入大量资金对该系统进行试验研究，并已有Solar One、Solar Two和PS10等10兆瓦级大型试验电站问世。其中，作为塔式太阳能热发电系统核心部件的太阳能接收器是试验电站研究的重点之一。本发明主要涉及的是一种中心塔式系统的太阳能接收器。
目前开发的塔式太阳能接收器主要有间接照射接收器，其代表为类似美国Solar One和Solar Two的管式接收器。该类接收器主要特点是接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面，工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面，受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的工质传递；传热介质可以是水、熔盐或其它流体；流体温度一般在100～600℃间，压力≤120atm，能承受的太阳能能量密度为1000kW/m2。另一类塔式太阳能接收器是直接照射太阳能接收器，也称空腔式接收器，共同特点是接收器向工质传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生，同时，空腔式接收器内表面具有几近黑体的特性，可有效吸收入射的太阳能，从而避免了选择性吸收涂层的问题；根据是否具有承压能力又分为无压腔体式接收器和有压腔体式接收器两种；一般采用空气作为传热介质；无压式接收器内的空气近乎层流流动，因此所承受的太阳能能量密度受到一定限制，最高不超过800kW/m2，流体温度一般不超过600℃；有压式与无压式的结构主要区别是辐射接受面增加了一个透明耐高温的石英玻璃窗口，从而形成耐压封闭腔，目前国外开发的高温有压腔体式接收器所能承受的压力可达15～30atm，能承受的太阳能能量密度为5000～10000kW/m2，可将空气加热到1200℃以上。高温有压腔体式接收器虽然具有较高的吸热效率(最高可达80％以上)，但由于采用空气作为载热介质，而空气热容量小的特点使得采用该接收器的大型太阳能电站，其单体接收器必须做得很大或者需要多台接收器，其系统稳定性和经济性都需要重新评估，因此目前的10MW级大型太阳能热电站，普遍采用了间接照射式接收器。
传统管式太阳能接收器存在热损失大的缺陷，因此，在西班牙的PS10和在建的PS20均采用了间接照射式接收器，其接收器吸收了空腔式接收器的特点，采用了腔体式结构，腔体式结构的采用一定程度上减少了间接接收式吸热器的辐射和对流损失，然单室腔体式结构由于仅一面接收镜场辐射，接收辐射的角度偏小，当太阳能电站容量较大时必须将接收塔做得比较高以接收比较大面积的镜场辐射，而用在多塔式接收模式中采用该种接收器时也对镜场场地利用率不利。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，以解决上述现有技术中各种太阳能锅炉系统存在的效率不高、造价昂贵，以及能承受的太阳能能量密度受限等技术问题。
本发明的技术方案如下：
一种腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其中，包括太阳能接收器和锅炉汽包，所述太阳能接收器设置为扇形腔体式，所述扇形腔体的内壁为膜式壁，所述膜式壁中设置有辐射换热管；所述太阳能接收器的底部设置有辐射底板；所述锅炉汽包上设置有多个上升管和下降管；所述辐射换热管的上端通过连接管道连接至锅炉汽包的上升管，所述辐射换热管的下端通过连接管道连接至锅炉汽包的下降管。
所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其中，所述膜式壁包括立面膜式壁和倾斜顶部膜式壁，所述立面膜式壁竖直设置在所述太阳能接收器内侧，所述倾斜顶部膜式壁倾斜设置在所述太阳能接收器腔体内的顶部。
所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其中，所述锅炉汽包上还设置有主蒸汽管接口、加药管接口、给水管接口、排汽管接口、排污管接口、紧急放水管接口，蒸汽加热管接口，压力表接口、安全阀和液位计。
所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其中，所述连接管道包括上集管、上集总管、下集管和下集总管；所述辐射换热管的上端连接上集管，所述上集管连接上集总管，所述上集总管再连接至锅炉汽包的上升管，所述辐射换热管的下端连接下集管，所述下集管连接下集总管，所述下集总管再连接至锅炉汽包的下降管,下集总管还设有排污管。
所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其中，所述辐射换热管和膜式壁表面进行了发黑处理，有利于对可见光的吸收；所述辐射底板涂覆有耐高温且对红外辐射具有高吸收率和低反射率的选择性涂层。
所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其中，所述太阳能接收器成弧形均匀围绕锅炉汽包布置。
本发明通过巧妙设计，使得水/蒸汽在锅炉汽包和太阳能接收器膜式壁的辐射换热管内(依靠重力差)进行自然循环，不断的将辐射换热管内产生的蒸汽输送到锅炉汽包中，从而达到系统内的蒸汽始终处于饱和状态的目的。采用本发明提供的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，可产生1.27～5.88MPa的低压至次高压饱和蒸汽，膜式壁辐射接受面可承受最高800kW/m2的热流密度；由于采用了饱和蒸汽系统，降低了太阳能锅炉辐射接受面的材质耐温要求，从而降低了锅炉造价。
附图说明
图1是本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的结构示意图。
图2是本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的俯视图。
图3是本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的立体示意图。
图4是本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的接收器腔室截面示意图。
图5是本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的接收器膜式壁及保温层结构示意图。
图中1为来自镜场反射的太阳光、2为太阳能接收腔室、3为汽包、4为上集总管、5为上集管、6为下集管、7为下集总管、8为立面膜式壁、9为倾斜顶部膜式壁、10为辐射地板、11为耐热层、12为保温层、13为锅炉底座、14为塔座、15为外护板、16为镀锌铅丝网、17为耐热可塑料。
汽包管接口标号及对应管口名称：a-出汽管、b-上升管、c-下降管、d-上水管、e-安全阀接口、f-排汽管、g-加热管、h-压力表管接口、j-加药管、k-连排管接口、p-紧急放水管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。
如图1本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的结构示意图所示，本发明提供的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉包括太阳能接收器2和锅炉汽包3。太阳能接收器2设置为腔室结构，太阳能接收器2的吸热面由膜式壁构成并设置在腔室结构的内侧。膜式壁包括立面膜式壁8和倾斜顶部膜式壁9，在本实施例中，立面膜式壁8的数量设置为3个且竖直设置太阳能接收器2的腔室内，倾斜顶部膜式壁9的数量设置为1个且倾斜设置在太阳能接收器3的腔室顶部，倾斜面结构有利于其内部蒸汽的及时导出。太阳能接收器2的底部设置有辐射底板10，辐射底板10表面涂有选择性涂层，能将太阳能接收器2腔室内高温气流获得的热量和红外辐射热量反射到太阳能接收器2的吸热面，并且该选择性涂层本身具有低吸收性特点。
立面膜式壁8和倾斜顶部膜式壁9都由一组辐射换热管及管间壁板组成，辐射换热管上端接上集管5，上集管5再接上集总管4；辐射换热管的下端接下集管6，下集管6再接下集总管7，下集总管7设有排污管口(图中未示出)；上集总管4通过上升管b(或称导汽管)与锅炉汽包3相连，下集总管7通过下降管c与锅炉汽包3相连，锅炉汽包3可采用常规锅炉汽包；汽包上除了设置有多个上升管b和下降管c接口外，还有主蒸汽管接口a和加药管j、给水管d、排汽管f、排污管g、紧急放水管p和蒸汽加热管e等管接口，以及就地压力表接口h、安全阀3和液位计等装置。所有膜式壁及辐射换热管均设Z型弯自然补偿段，以补偿吸热面及辐射换热管的热膨胀；膜式壁外侧为轻质耐热材料11和保温材料12，有效减少锅炉散热。
如图2本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的俯视图所示，太阳能接收器2成弧形混匀围绕锅炉汽包3设置，太阳能接收器2本身设置为扇形腔体结构，扇形腔体结构有利于减少对外辐射损失和对流散热损失，可以接收(聚焦)180°～270°周向定日镜场的太阳辐射。
如图3本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的立体示意图所示，本发明提供的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉还包括锅炉底座13和塔座14，锅炉底座13设置在塔座14上，太阳能接收器2和锅炉汽包3均设置在锅炉底座13上。
如图4和图5本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的接收器腔室截面示意图所示，太阳能接收器2由外至内依次为外护板15、保温层12、镀锌铅丝网16、耐热层11、耐热可塑料17和立面膜式壁8。如图5本发明中腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉的接收器膜式壁及保温层结构示意图所示，膜式壁镶嵌在耐热层11和耐热可塑料17中，耐热层11与保温层12之间镶嵌有镀锌铅丝网16；可塑料的作用是避免耐热层与膜式壁直接接触时由于热膨胀不同而产生缝隙和裂缝，影响保温效果；耐热层和可塑料均为轻质耐热物料。
本发明的工作原理如图1所示，来自镜场(图中未示出)的太阳辐射光1从腔式太阳能接收器2的扇形开口窗进入其腔室，辐射直接投射到辐射接收面(立面膜式壁8和倾斜顶部膜式壁9)上并将辐射接收面加热升温，辐射面将热量传递到辐射换热管内将管内工质加热(这里的工质是水或蒸汽/水混合物)，换热管内受热后的水达到饱和并蒸发，产生的蒸汽和饱和水形成汽水混合物汇集到上集管5后再汇集到上集总管4后通过上升管b进入锅炉汽包3，汽水混合物在锅炉汽包3内进行分离，分离出的饱和蒸汽进入汽轮机等动力模块(图中未示出)进行透平做功发电；经过动力模块冷凝器和除氧器除氧的凝结水用泵输送到锅炉汽包3；汽包内的水在重力作用下通过下降管c流到下集总管7后自行分配到各膜式壁的下集管6。
本发明提供的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，水/蒸汽在锅炉汽包3和太阳能接收器2膜式壁的辐射换热管内(依靠重力差)进行自然循环，不断的将辐射换热管内产生的蒸汽输送到锅炉汽包3中。从而使得该系统内的蒸汽始终处于饱和状态。
采用本发明提供的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，可产生1.27～5.88MPa的低压至次高压饱和蒸汽，膜式壁辐射接受面可承受最高800kW/m2的热流密度；由于采用了饱和蒸汽系统，降低了太阳能锅炉辐射接受面的材质耐温要求，从而降低了锅炉造价。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其特征在于，包括太阳能接收器和锅炉汽包，所述太阳能接收器设置为扇形腔体式，所述扇形腔体的内设置有膜式壁，所述膜式壁中设置有辐射换热管；所述膜式壁包括立面膜式壁和倾斜顶部膜式壁，所述立面膜式壁竖直设置在所述太阳能接收器内侧，所述倾斜顶部膜式壁倾斜设置在所述太阳能接收器腔体内的顶部，所述膜式壁采用了Z型弯自然补偿段或类似可进行自然热补偿的结构形式；所述太阳能接收器的底部设置有辐射底板；所述太阳能接收器由外至内依次为外护板、保温层、镀锌铅丝网、耐热层、耐热可塑料和膜式壁；所述锅炉汽包上设置有多个上升管和下降管，分别与各扇形腔室接收器的上集总管和下集总管连接；还包括连接管道，连接管道包括上集管、上集总管、下集管和下集总管；所述辐射换热管的上端连接上集管，所述上集管连接上集总管，所述上集总管再连接至锅炉汽包的上升管，所述辐射换热管的下端连接下集管，所述下集管的连接下集总管，所述下集总管再连接至锅炉汽包的下降管。
2.根据权利要求1所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其特征在于，所述锅炉汽包上还设置有主蒸汽管接口、加药管接口、给水管接口、排汽管接口、排污管接口、紧急放水管接口，蒸汽加热管接口，压力表接口、安全阀和液位计。
3.根据权利要求1所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其特征在于，所述辐射换热管和膜式壁进行了表面发黑处理；所述辐射底板表面涂覆有耐高温且对红外辐射具有高吸收率和低反射率的选择性涂层。
4.根据权利要求1所述的腔体式自然循环式太阳能饱和蒸汽锅炉，其特征在于，所述太阳能接收器由多个扇形腔体式接收器组成，成弧形均匀围绕锅炉汽包设置；汽包位于太阳能接收器的上部，锅炉为依靠汽水混合物和水的重力差提供循环动力的自然循环锅炉。
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