CN103270144A - 用于收集太阳能的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于收集太阳能的装置(1)，其特征在于，它包括至少一种太阳能接收器(2)，所述太阳能接收器(2)包括至少一种由气体流化的固体颗粒悬浮体，每种悬浮体在接收器(2)的入口和出口之间循环，其中颗粒的体积在悬浮体体积的40％和50％之间，并且颗粒的平均尺寸在20微米和150微米之间。

Description

用于收集太阳能的装置
本发明涉及一种用于收集太阳能的装置。特别的是涉及一种包括由气体流化的颗粒的至少一种稠密悬浮体的装置。
太阳能的切实可行开发需要白天产生的一些热量被储存，使得其在需要时能够被重新获得，或者至少用于保证多云期间持续的供应。
为了这种储存热量，众所周知使用与热量传导流体相同的流体(例如熔融盐)。
作为热量传导流体，也可能使用蒸汽。然而，这样的解决方法具有限制操作温度的缺点。
作为热量传导流体，也可能使用合成油或者熔融盐混合物，尤其是硝酸钾和硝酸钠的混合物。使用合成油或者熔融盐的缺点是较危险，这些物质也是剧毒物质。
于是，想到使用固体颗粒的悬浮体以吸收太阳辐射，但是这种解决方法已经被证明是不令人满意的，尤其是因为获得的悬浮体密度较低并且生产悬浮体时需求的与空气压缩相关的能量损失较高。
本发明旨在克服上述缺点。
本发明特别的提供一种通过使用非毒性和非危险性的流体用于收集太阳能的装置，其允许大量的热量被传输。
因此，本发明的一个目标是收集太阳能的装置。
根据本发明的装置包括至少一种太阳能接收器，所述太阳能接收器包括由气体流化的固体颗粒的至少一种悬浮体，每种悬浮体在接收器的入口和出口之间流动，颗粒的体积在悬浮体体积的40％和55％之间，颗粒的平均尺寸在20和150微米之间。
颗粒的体积可以在悬浮体体积的45％和50％之间。
悬浮体的密度可以在1250和2000kg/m3之间。
所述颗粒可能是沙子、碳化硅或者氧化铝的惰性颗粒，金属颗粒，金属氧化物、金属碳化物或者金属氮化物颗粒、或者活性颗粒。
在颗粒是活性颗粒的情况下，太阳能接收器也可以是反应器，在所述反应器中进行固体的热处理或者发生固体/气体的反应如干燥、脱水、分解、脱碳或者还原。
所述颗粒可以是化学惰性颗粒和活性颗粒的混合物，并且太阳能接收器也可以是反应器，在所述反应器中发生用于提高有机产物的反应，例如热解和气化。
固体颗粒的流速有利地是在18和200kg.m2.s-1之间。
每种悬浮体可以被限制在一个或多个管道中。
每个管道可以是由金属或者陶瓷材料制成的不透明管道。
流化颗粒的每种悬浮体可以在垂直向上或者向下流动。
所述装置可以包括旨在储存由太阳能接收器输出的加热颗粒的存储部件，所述存储部件供给流化床热交换器。
所述流化床热交换器可以给蒸汽轮机提供蒸汽。
所述流化床热交换器可以供给燃气轮机。
本发明的另一个目标是如上所述的装置用于杂化(hybridization)太阳能和生物能的用途。
本发明的另一个目的是一种用于储存太阳能的方法。
根据本发明的方法包括如下步骤：在太阳能接收器中，使用至少一种由气体流化的固体颗粒的悬浮体，每种悬浮体在接收器的入口和出口之间流动，颗粒的体积在悬浮体体积的40％和55％之间，颗粒的平均尺寸在20和150微米之间。
所述方法可在上述装置内实施。
通过阅读以说明性非限制实施例的方式给出的下列描述并且参考附图，本发明的其他特征和优势将会变得更加明显。在附图中：
图1是示意性示出根据本发明的用于收集太阳能的装置，其采用颗粒作为热量传导流体和储存热量的材料；
图2示出根据第一实施方案的装置；
图3示出根据第二实施方案的装置；以及
图4和图5示出在太阳能接收器中有可能的使用该装置的方式。
如图1所示，装置1包括太阳能接收器2，该太阳能接收器2使用在管道内垂直向上或向下流动的气体中的颗粒的稠密悬浮体，其形成接收器2的活性部件。这些管道要么是金属管道要么是陶瓷管道，遭受由汇聚装置3如定日镜(heliostats)汇聚的太阳辐射。
由管道吸收的辐射通过传导而传输至通过接触热管壁而被加热的悬浮体。所述悬浮体在太阳能接收器2的入口和出口之间流动并且于是将吸收的能量传输至用于储存和转化能量的组件。这个“储存/转化”组件包括连接至太阳能接收器2的出口上的热存储部件4。所述热存储部件4旨在储存由太阳能接收器2输出的加热颗粒并且可以供给流化床热交换器5，在所述流化床热交换器5中，颗粒将他们的能量转移至潜管中，在所述潜管中工作流体如蒸汽被加热，所述蒸汽可能在蒸汽轮机6中膨胀。所述工作流体可以是气体，在这种情况下将使用燃气轮机。燃气轮机是用于发电的传统装置。
冷却的颗粒从交换器5中移除，颗粒继续流动，并且指向连接至太阳能接收器2的入口的冷存储部件7。
在管道或者其他任何同等的容器内的气体使得太阳能接收器2中使用的颗粒悬浮体移动。
悬浮体中颗粒的平均尺寸在20和150微米之间。例如，Geldart分类中A组中的颗粒可以被使用。例如，颗粒的平均尺寸可以激光粒度测定仪来确定。
平均颗粒尺寸足够的小以防止不均匀的流化，同时足够的大以防止团聚体的形成和恶劣的流化。进一步，所述平均颗粒尺寸允许悬浮体以较低的气体速度被流化，该气体速度大约是几cm/s。这一特性相对于需要大约若干m/s的气体速度的传统的流化床颗粒悬浮溶液具有优势，因为少量的能量耗费来压缩气体。
在当前情况下，颗粒悬浮体是稠密的，即，它的孔隙率与流态化最小值(fluidization minimum)相等，并且在40％和50％之间，并且优选的在45％和50％之间。孔隙度对于颗粒来说足够的小以被流化，并且足够的大以在防止被稀释的流化床形成，后者提供较差的热量传输和与管壁之间的热量交换。
在这些条件下，悬浮体的密度在1250和2000kg/m3之间是有利的。例如，因为沙子的密度是2500kg/m3，具有50％孔隙度的沙子颗粒的悬浮体的密度是1250kg/m3，即，比大气压力下的空气密度高大约1000倍。因此，几乎所有的能量通过固体传输并且介质具有准液相特性。
固体颗粒的流速在18和200kg.m2.s-1之间是有利的。于是流速足够的低以保证良好的传导性能并且防止与空气抽汲功率相关的压头损失，同时足够的高以防止管道过热，于是使得装置安全。
在接收汇聚的太阳辐射的管壁和颗粒悬浮体之间的局部交换系数可以大约是500-1000w/m2.℃-1，即，这一系数比气体和管壁之间的交换系数高大约10倍，并且与液体和管壁之间的交换系数具有相同的数量级。
太阳能接收器2可以包括一个或多个多管式交换器，即，接收器2的吸收器模块。直径例如在30和100毫米之间的管道的管壁被太阳辐射加热，同时固体颗粒的稠密悬浮体在管道内部流动。管道排可以由薄的平行管道形状的流化床替换。
对于太阳能接收器2，可以构想出两种构造。
在第一实施方案中，悬浮体垂直向下流动。根据设想的运行条件，气体/固体悬浮体可以在两种流动状态(regime)下运行：流化的稠密向下流动交换或者移动床交换。
所述第一实施方案案在图2中示出，其中与图1中相同的元件具有相同的附图标记。在接收器2的入口处，流化缓冲箱8供给管道阵列。在接收器2的出口处，流化床在将热固体颗粒传输至热存储箱4之前，收集所述热固体颗粒。供给箱9为缓冲箱8供给颗粒。供给箱9也通过空气被流化，以生成颗粒流并且使颗粒的温度均匀。
于是颗粒悬浮体从顶部流向底部，从缓冲箱8流向接收器2的下端。
在这种构造中，管道中固体颗粒的流速和空气的残余流速通过热存储箱4中的压力调整被控制。根据局部滑移速度的数值，即，颗粒的速度和气体的速度之间的差，这个操作可以使用以下手段来实施：
移动床(滑移速度＜最小流化速度)；
均匀的流化稠密向下流(最小流化速度＜滑移速度＜最小鼓泡速度)；或者
具有泡沫的流化稠密向下流(滑移速度＞最小鼓泡速度)。
在第二实施方案中，例如，如图3所示，悬浮体垂直向上流动。颗粒从供给箱9向位于太阳能接收器2的下端的流化床流动，然后在接收器2的管道中朝向位于接收器2上端的缓冲箱8上升。在接收器2中被加热的颗粒然后从缓冲箱8流向位于接收器2下面的热存储箱4。
图4表示太阳能接收器中实施的装置，例如，根据第一实施方案(第二实施方案也可以代替使用)。于是装置1可以包括由单一供给箱9供给的四个太阳能接收器模块2。由太阳能接收器2加热的颗粒向着单一热存储箱4传输。太阳能接收器2由定日镜(空腔接收器)的环形或者北/南场被照明，如图5所示。
于是，根据本发明，由气体流化的固体颗粒的稠密悬浮体能够达到大于或者等于600℃的高运行温度，这一温度对于用于发电或者产生热量的太阳能发电厂和反应器以及对于用于产生例如氢气的化学反应器的太阳能加热来说是理想的。
于是根据本发明所述的装置具有很多优势；所述装置能够：
控制生产产生悬浮体所需的压缩空气消耗的寄生功率；
在传统的传导流体如熔融盐或者蒸汽的温度之上运行，后者的最大的运行温度是大约550℃；
使用相对于传统的太阳能发电厂所用的传导流体来说非毒性并且非危险性的准流体，传统所用的传导流体例如分别是易燃的和氧化剂的合成油和熔融盐；以及
所用的介质能够同时作为传导流体和存储材料。
根据本发明的装置进一步通过生成蒸汽的流化床交换器/反应器来使得杂化太阳能和生物能变得容易。
此外，这种悬浮体也可以被用于加热化学反应器，在所述化学反应器中发生吸热反应，如通过使用太阳能或者经过固体处理用于生产氢气的热化学循环。

Claims (15)

1.一种用于收集太阳能的装置(1)，其特征在于：
所述装置包括至少一个太阳能接收器(2)，所述太阳能接收器(2)包含至少一种由气体流化的固体颗粒悬浮体，每种悬浮体在接收器(2)的入口和出口之间流动，所述颗粒的体积在悬浮体体积的40％和55％之间，所述颗粒的平均尺寸在20和150μm之间。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其特征在于：
所述颗粒的体积在悬浮体体积的45％和50％之间。
3.如权利要求1或2所述的装置(1)，其特征在于：
所述悬浮体的密度在1250kg/m3和2000kg/m3之间。
4.如权利要求1-3中任一项所述的装置(1)，其特征在于：
所述颗粒是沙子、碳化硅或氧化铝的惰性颗粒，金属颗粒，金属氧化物、金属碳化物或者金属氮化物颗粒，或者活性颗粒。
5.如权利要求4所述的装置(1)，其特征在于：
所述颗粒是活性颗粒，并且太阳能接收器(2)也是反应器，在该反应器中，进行固体的热处理或者发生固体/气体反应，如干燥、脱水、分解、脱碳或者还原。
6.如权利要求5所述的装置(1)，其特征在于：
所述颗粒是化学惰性颗粒和活性颗粒的混合物，并且所述太阳能接收器(2)是反应器，在该反应器中发生提升有机产物的反应，如热解和气化。
7.如权利要求1-6中任一项所述的装置(1)，其特征在于：
所述固体颗粒的流速在18kg.m2.s-1和200kg.m2.s-1之间。
8.如权利要求1-7中任一项所述的装置(1)，其特征在于：
每种悬浮体被限制在一个或者多个管道中。
9.如权利要求8所述的装置(1)，其特征在于：
每个管道是由金属或者陶瓷材料制成的不透明管道。
10.如权利要求1-9中任一项所述的装置(1)，其特征在于：
流化颗粒的每种悬浮体垂直向上或者向下流动。
11.如权利要求1-10中任一项所述的装置(1)，其特征在于：
所述装置包括旨在储存由太阳能接收器(2)输出的加热颗粒的存储部件(4)，所述存储部件(4)供给流化床热交换器(5)。
12.如权利要求11所述的装置(1)，其特征在于：
所述流化床热交换器(5)给蒸汽轮机(6)提供蒸汽。
13.如权利要求11所述的装置(1)，其特征在于：
所述流化床热交换器(5)供给燃气轮机(6)。
14.如权利要求1-13中任一项所述的装置(1)用于杂化太阳能和生物能的用途。
15.一种用于储存太阳能的方法，其特征在于：
所述方法包括如下步骤：在太阳能接收器(2)中，使用由气体流化的固体颗粒的至少一种悬浮体，每种悬浮体在所述太阳能接收器(2)的入口和出口之间流动，所述颗粒的体积在悬浮体体积的40％和55％之间，所述颗粒的平均尺寸在20微米和150微米之间。
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