CN103423887A - 太阳能热发电用流化床空气吸热器 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能热发电用流化床空气吸热器，由吸热器腔体（1）、固体颗粒（2）、透光窗口（3）、空气进口（5）、布风板（7）、挡板（8）和空气出口（10）组成；所述的吸热器腔体为圆筒形或方形，内部存放有固体颗粒（2）；所述的透光窗口（9）位于吸热器腔体（1）面对聚光辐射能流（8）投射的一侧；所述的空气进口（5）位于吸热器腔体（1）的底部；所述的布风板（7）固定在吸热器腔体(1)内，空气进口（5）之上的位置；所述的挡板（8）固定在吸热器腔体（1）内；所述的空气出口（10）位于吸热器腔体（1）的顶部，吸热器除透光窗口外的部分均包覆有耐高温保温层。

Description

太阳能热发电用流化床空气吸热器
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
塔式太阳能热发电是通过多台跟踪太阳运动的定日镜将太阳辐射反射至放置于塔上的吸热器中获得高温传热流体，高温传热流体直接或间接通过热力循环的发电系统，主要包括定日镜、吸热器支撑塔、吸热器、储热器和发电机组等。吸热器是塔式系统光热转换的核心装置，其性能直接影响系统效率。根据吸热器内传热流体的不同，目前世界上运行和在研的塔式太阳能热发电站主要包括水/蒸汽、熔融盐和空气等。空气电站一般采用布雷顿循环的热发电模式，空气经过吸热器产生700℃以上的高温热空气，进入燃气轮机，推动压缩机做功并实现电力输出，大大减少燃气用量，其运行效率可以达到30%以上。以空气作为吸热与传热流体的塔式太阳能热发电系统有以下优点：运行温度高，易于运行与维护，无须保温和冷启动加热系统等，因此，以空气作为吸热与传热流体是未来塔式热发电站高效率化发展的一个重要方向。容积式空气吸热器运行时，吸热体保持不动，空间上非均匀、时间上非稳定的太阳能高倍聚光辐射能流极易造成吸热体材料的热应力破坏，导致吸热体局部过热产生“热斑”，并引起高温空气流动过程稳定性差、可靠性不高。固体颗粒空气吸热器是空气吸热器发展的新的方向，与早期空气吸热器相比，固体颗粒空气吸热器有其自身独特的优势：（1）有效缓解吸热器受热不均的问题，吸热器运行时固体颗粒在接收太阳辐射时随空气一起流动，从而避免单个颗粒在高热流密度区内被长时间加热，流动的吸热体利于空气温度场的均匀和吸热体温度均匀，避免了容积式吸热器通常出现的吸热体局部“热斑”，大大提高了吸热器的可靠性；（2）固体颗粒比表面积大，颗粒-空气换热效率高；（3）有利于实现吸热-储热一体化。固体颗粒空气吸热器有望提高现有吸热器性能，推动太阳能热发电技术发展，近年来得到了广泛关注和快速发展。美国专利US58881035公布了采用带有颗粒以压缩空气为传热流体的吸热器，其温度可被加热至800℃，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US5510109103公布的固体颗粒吸热器最高工作温度为900℃，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US31009732公布了一种固体颗粒吸热器系统，被加热的固体颗粒-空气混合物经固体颗粒分离、换热后固体颗粒和空气循环利用，气固混合物温度在500-860℃，但吸热器结构复杂，效率不高。中国专利CN112136335A提出了一种基于石英管束的固体颗粒空气吸热器，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
本发明的目的是提供一种太阳能热发电用流化床空气吸热器，以克服现有太阳能热发电站中空气吸热器由于太阳能聚光能流密度高且具有不均匀性和不稳定性，造成吸热体材料热应力破坏、流动稳定性差以及可靠性不高的缺点。
本发明流化床空气吸热器由吸热器腔体、固体颗粒、透光窗口、空气进口、布风板、挡板、空气出口等组成。所述的吸热器腔体为圆筒形或方形，内部存放有固体颗粒。吸热器腔体采用耐高温材料，如陶瓷或耐热合金钢或石英玻璃制作。挡板采用耐高温材料，如陶瓷或耐热合金钢制作。透光窗口可以安装高透光率和耐高温的石英玻璃使吸热器实现承压运行或者不安装石英玻璃使吸热器实现非承压运行。所述的固体颗粒为吸热体，空气为传热流体，利用固体颗粒的耐高温和高辐射吸收率特性实现高效吸热，通过使颗粒流化起来以实现空气与固体颗粒间高效换热。挡板可以为平板或曲面形板，竖直或倾斜一定角度固定在吸热器腔体内，作用是使固体颗粒在吸热器腔体内形成稳定的流化状态。空气进口位于吸热器腔体的底部，空气出口位于吸热器腔体顶部。布风板位于吸热器腔体内，布风板可以为多孔板型或风帽型，作用是使气体均匀分布，以形成良好的初始流化条件，同时支承固体颗粒，防止固体颗粒漏出。透光窗口为吸热器腔体的一部分，位于吸热器腔体面对聚光辐射能流投射的一侧。透光窗口通常由石英玻璃制成，用于将聚光辐射能流透射至吸热器腔体内。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。吸热器未工作时固体颗粒自由堆积在吸热器腔体内；吸热器工作时，冷空气从空气进口流入吸热器腔体内，在空气压力的作用下，堆积于吸热器腔体内的固体颗粒被吹起，使固体颗粒在吸热器腔体内流动起来，部分固体颗粒沿挡板和透光窗口间的缝隙下落时吸收自透光窗口透射的聚光辐射能流，转化为其热能，空气的浮升力和固体颗粒的重力作用使得吸热器腔体内的固体颗粒充分碰撞并与空气充分接触，冷空气与固体颗粒高效对流换热变为热空气，热空气从空气出口流出。
本发明选择碳化硅、氮化硅、石墨、炭黑等耐高温材料作为固体颗粒，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、氮化硅、石墨等固体颗粒的导热系数高，且具有很高的辐射吸收率，通过设计颗粒的形状和大小，可以最大限度吸收投入的太阳辐射能。固体颗粒群具有较大的比表面积，确保了换热过程中空气与固体颗粒间可获得较高的传热效率。固体颗粒间的碰撞以及固体颗粒与吸热器壁面和挡板间的碰撞，有利于吸热器内的温度均匀，避免了吸热器内局部区域颗粒群的过热结焦，有效消除了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。流动的固体颗粒具有储热功能，可以在一定时间内避免空气温度的较大波动。
本发明结构简单，可靠性高，吸热器内流动状态稳定可控。按需求设计固体颗粒的形状和大小，加之调整空气入口流量，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，获得700℃-1300℃、常压或1MPa以上压力的高温空气。
附图说明
图1本发明流化床空气吸热器示意图；
图2本发明流化床空气吸热器流化状态示意图；
图中：1吸热器腔体、2固体颗粒、3透光窗口、4聚光辐射能流、5空气进口、6冷空气、7布风板、8挡板、9空气出口、10热空气。
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所示为本发明流化床空气吸热器。该吸热器由吸热器腔体1、固体颗粒2、透光窗口3、空气进口5、布风板7、挡板8、空气出口9组成。吸热器腔体1为圆筒形或方形，由耐高温材料制成。空气进口5位于吸热器腔体1的底部，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6能顺利进入吸热器腔体1内。空气出口9位于吸热器腔体1的顶部，空气出口9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10能顺利流出吸热器腔体1外。挡板8为平板或曲面形板，竖直或倾斜一定角度固定在吸热器腔体1内；挡板8与透光窗口3间存在一定的缝隙，缝隙大小由固体颗粒2的形状和大小以及吸热器内设计流化状态决定；挡板8的底端与布风板7间存在一定的缝隙，缝隙大小由固体颗粒2的形状和大小以及吸热器内设计流化状态决定；挡板8的高度不超过吸热器腔体1的高度，挡板8的宽度不超过吸热器腔体1的最大直径或宽度；挡板8的作用是吸热器工作时使固体颗粒2沿着挡板8和透光窗口3间的缝隙稳定有序地下落，固体颗粒2在下落的过程中吸收聚光辐射能流4并转化为热能，被加热的固体颗粒2下落至挡板8底部的缝隙后受冷空气6的作用向上流动，从而使固体颗粒2在吸热器腔体1内循环流动起来；被加热的固体颗粒2与冷空气7对流换热后变为热空气10。布风板7为多孔板型或风帽型，位于吸热器腔体1底部，在空气进口5之上，布风板7的作用是使冷空气6顺利进入吸热器腔体1内，同时支撑固体颗粒2，防止固体颗粒2从空气进口5漏出。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4投射的一侧。透光窗口3用于将聚光辐射能流4透射至吸热器腔体1内部。当吸热器承压运行时，透光窗口3安装石英玻璃并与吸热器腔体1密封连接，以保证吸热器腔体1可以承受一定的压力，并防止固体颗粒2及空气从吸热器腔体1中流出；当吸热器非承压运行时，透光窗口3不安装石英玻璃，吸热器保持透光窗口3开口运行。透光窗口3的形状、大小和厚度受投入的聚光辐射能流4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4均尽可能多地被固体颗粒2吸收。固体颗粒2在吸热器未工作时自由堆积在吸热器腔体1内。固体颗粒2具有较高的辐射吸收率，可在1200℃以上温度长期使用，固体颗粒2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内的冷空气6的速度、压力，以及聚光辐射能流4的大小和分布决定，其原则是实现固体颗粒2与冷空气6充分换热并保持有规律的流动状态，固体颗粒2的材料可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。
图2为吸热器工作时内部流化状态示意图，吸热器工作时，冷空气6从空气进口5经过布风板7进入吸热器腔体1内，挡板8右侧的固体颗粒2向上流动，至吸热器腔体1顶部后部分固体颗粒2沿挡板8和透光窗口3间的缝隙向下流动，这部分固体颗粒2下落至挡板8底部的缝隙后受冷空气6的作用继续向上运动，从而实现固体颗粒2在吸热器腔体1内的循环流动。由于受到空气的浮升力、固体颗粒2自身重力及固体颗粒2的碰撞力等作用，固体颗粒2在吸热器腔体1内保持有规律的流动状态。经太阳能聚光场提供的聚光辐射能流4投射至透光窗口3的外表面，聚光辐射能流4的绝大部分辐射能透过透光窗口3至挡板8和透光窗口3间下落的固体颗粒2上。固体颗粒2具有较高的吸收率，聚光辐射能流4被固体颗粒2吸收并转化为固体颗粒2的热能，少部分聚光辐射能流8被透光窗口3、挡板8、吸热器腔体1壁面吸收。被加热的固体颗粒2、透光窗口3、挡板8和吸热器腔体1壁面与来自空气进口5的冷空气6进行对流换热，冷空气6被加热为热空气10后从空气出口9流出，实现了太阳能到空气热能的转换。

Claims (4)

1.一种太阳能热发电用流化床空气吸热器，其特征在于，所述的吸热器由吸热器腔体（1）、固体颗粒（2）、透光窗口（3）、空气进口（5）、布风板（7）、挡板（8）和空气出口（10）组成；所述的吸热器腔体为圆筒形或方形，内部存放有固体颗粒（2）；所述的透光窗口（9）位于吸热器腔体（1）面对聚光辐射能流（8）投射的一侧；所述的空气进口（5）位于吸热器腔体（1）的底部；所述的布风板（7）固定在吸热器腔体(1)内，空气进口（5）之上的位置；所述的挡板（8）固定在吸热器腔体（1）内；所述的空气出口（10）位于吸热器腔体（1）的顶部，吸热器除透光窗口外的部分均包覆有耐高温保温层。
2.按照权利要求1所述的太阳能热发电用流化床空气吸热器，其特征在于所述的挡板（8）为平板或曲面形板。
3.按照权利要求1所述的太阳能热发电用流化床空气吸热器，其特征在于所述的挡板（8）竖直或倾斜一定角度固定在吸热器腔体（1）内，挡板（8）与透光窗口（3）间有缝隙，挡板（8）的底端与布风板（7）间有缝隙。
4.按照权利要求1-3的任一项所述的太阳能热发电用流化床空气吸热器，其特征在于所述的挡板（8）的高度不超过吸热器腔体（1）的高度，挡板（8）的宽度不超过吸热器腔体（1）的最大直径或宽度。
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