CN103629827A - 一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能集热、储热技术领域，是一种高温大容量井式太阳能集热-蓄热装置。该装置的一次反射镜是一个凹面反光镜，多台一次反射镜固定在地面上组成反射镜阵列；二次反射镜架设在空中，是与一次反射镜并对的一个凹面反光镜，二次反射镜正下方设置圆锥形日光井，日光井底部设置吸热体；蓄热罐体是中间为日光井的空心罐体，一部分掩埋在地下且里面盛装蓄热介质；热风管和冷风管穿过蓄热罐体，浸没在蓄热介质中，连通日光井与蓄热罐体上方空气；热风管和冷风管在日光井侧壁上的管口分别位于吸热体上方和下方。本发明装置结合点聚焦集热和熔融盐蓄热优势，无需特定传热系统，结构简单，维护成本低，蓄热容量大，占地面积小，形式比较美观。

Description

一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置

技术领域

本发明涉及太阳能集热、储热技术领域，具体是涉及一种高温大容量井式太阳能集热-蓄热装置。

背景技术

太阳能作为一种储量大、清洁无污染的可再生能源，具有广阔的开发空间。光热利用技术是太阳能利用形式之一，如太阳能热水系统、太阳能供暖系统、太阳能蒸汽发生器、太阳能热发电等技术。但是，太阳能具有分散性和间歇性特点：投射到单位地面面积上的直射辐射能流密度低；而且，在乌云遮挡期和日落后直射辐射中断，限制了相关技术的推广应用。

目前，众多研究者已提供了多种集热和蓄热方案。在集热方面，包括点聚焦的塔式和碟式、线聚焦的槽式和菲涅尔式。相对而言，采用点聚焦可以获得更高的温度（>1000℃），而且集热场地面积较小。

在蓄热方面，从蓄热介质角度而言，目前主要包括显热蓄热（水、混凝土、鹅卵石等）、潜热蓄热（也叫相变蓄热，包括熔融盐、金属等）和化学蓄热形式。由于潜热蓄热具有相变温度恒定、储能密度大、蓄热温度上限高等优势，更适宜大容量、高温度太阳能光热应用领域，也与日后太阳能光热技术发展方向一致。

从蓄热装置结构角度而言，无论是单罐式还是两罐式，或者是形式各异的蓄热-蒸汽发生一体化装置，蓄热装置均是矗立在地面上的一个罐体，容量较大时，占用空间大，形式不甚美观。此外，它们基本上均包括传热系统，即将低温的传热介质（如空气、水/蒸汽、导热油、熔融盐）通过泵运送到聚焦太阳能焦点处，被加热后流经蓄热装置，热量被交换到蓄热介质中。这种传热蓄热模式存在以下问题：（1）输送传热介质需要泵、相关管路及导热油或熔融盐作为传热介质，增加了设备初期投资成本；（2）传热系统运行需要消耗额外的能量，对于塔式结构的太阳能聚焦点位于高达100m附近的半空中，同时设备及传热介质需要定期维护或更换，无疑增加了运行维护成本；（3）对于高温集热蓄热系统，目前主要采用熔融盐作为传热介质，存在最严重的问题是夜晚气温较低时，熔融盐凝固，冻结在传热管道内。即使在传热管道上缠绕电阻丝，通过电阻丝产生的热量为管道内熔融盐补热，可以缓解冻结问题。但并不能从根本上解决该问题；同时，也无疑增加了运行成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、维护成本低、蓄热容量大、占地面积小、形式美观的新型太阳能集热-蓄热装置。

本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置通过下述技术方案予以实现：一种高温大容量井式太阳能集热-蓄热装置的特征是：一次反射镜是一个曲率半径较大的凹面反光镜，固定在地面上，并配有太阳跟踪器，多台一次反射镜组成反射镜阵列；二次反射镜是一个凹面反光镜，其凹面与一次反射镜相对并通过刚性支架固定在高空中；二次反射镜正下方设置呈圆锥形的日光井，日光井上方设置采用耐高温、透光性好的耐高温玻璃制成中间有孔的圆盘形日光井盖，日光井的井底设置吸热体；日光井底部放置采用太阳辐射吸收率高、耐高温、带孔的石墨材料制成的吸热体，吸热体搁置在带孔的圆盘形隔板上；在吸热体上方的日光井侧壁上设置若干层热风管的管口，每层沿圆周均布8根热风管，热风管采用导热系数较高的空心金属管制成，浸没在蓄热罐体内的蓄热介质中，连通日光井与蓄热罐体上方空气；热风管上设计有换热翅片；在吸热体下方的日光井侧壁上沿圆周均布设置8个冷风管的管口，冷风管为具有保温效果的空心管，也穿过蓄热介质，连通日光井与蓄热罐体上方空气；蓄热罐体是里面盛装蓄热介质、中间为日光井的空心罐，蓄热罐体一部分掩埋在地下，即半掩式。

本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置有如下有益效果：本发明一种高温大容量井式太阳能集热-蓄热装置结合点聚焦集热和熔融盐蓄热优势，主要针对中高温、大功率蒸汽发生系统或太阳能热发电系统，提出无需特定传热系统的“一种井式太阳能集热-蓄热装置”，其结构简单，维护成本低，蓄热容量大，占地面积小，形式比较美观。

本发明的优点是：

1.   结构简单：借助空气的热浮冷沉自然对流原理实现蓄热，简化了蓄热装置结构。

2.   蓄热温度高、容量大：采用点聚焦集热形式，蓄热温度高；并且半掩式蓄热罐体的容积比较容易做到很大，再结合熔融盐潜热蓄热形式，则蓄热容量大。

3.   投资和维护成本低：没有采用熔融盐或导热油、泵和相关管道的传热系统；用冷风常闭阀和热风常闭阀自动控制蓄热和保温过程；蓄热罐部分掩埋在地下，可以减小蓄热罐热损失。以上措施共同降低了蓄热装置投资成本和设备运行维护成本。

4.   占地面积小，形式美观：两次反射聚焦形式减小了集热场地面积。半掩式蓄热罐对空间占用小，并且蓄热罐上面可以做绿化，甚至可以美化为一处别致的景观，而非突兀矗立的一个巨型大罐。

附图说明

图1是本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置结构示意图。

图2是本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置蓄热罐结构示意图。

图3是本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置热风常闭阀结构示意图。

图4是本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置冷风常闭阀结构示意图。

图5是本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置空气流向示意图。

其中：

1、一次反射镜；2、隔板；3、吸热体；4、蓄热介质；5、热风管；6、蒸汽换热管；7、冷风管；8、冷风常闭阀；9、蓄热罐体；10、热风常闭阀；11、日光井；12、日光井盖；13、刚性支架；14、二次反射镜；15、蓄热容器；16、保温层；17、防护层；18、检测测温计；19、内层测温计；20、次内层测温计；21、最外层测温计；22、蒸汽出口；23、测温控制装置；24、内层电磁阀；25、次内层电磁阀；26、最外层电磁阀；27、水槽；28、保温材料；29、热风常闭阀顶盖；30、热风常闭阀弹簧；31、热风常闭阀限位螺杆；32、冷风常闭阀顶盖；33、冷风常闭阀限位螺杆；34、冷风常闭阀弹簧；35、阀芯；36、楔形堵块;37、泵；38、安全阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置技术方案作进一步描述。

本发明是一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置。其核心原理是利用空气的热浮冷沉自然对流实现蓄热过程。

如图1—图5所示，本发明是一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置的特征在于：一次反射镜1是一个曲率半径较大的凹面反光镜，固定在地面上，并配有太阳跟踪器，多台一次反射镜组成反射镜阵列；二次反射镜14是一个凹面反光镜，其凹面与一次反射镜1相对并通过刚性支架13固定在高空中；二次反射镜14正下方设置呈圆锥形的日光井11，日光井11上方设置采用耐高温、透光性好的耐高温玻璃制成中间有孔的圆盘形日光井盖12，日光井11的井底设置采用太阳辐射吸收率高、耐高温、带孔的石墨材料制成的吸热体3，吸热体3搁置在带孔的圆盘形隔板2上；在吸热体3上方的日光井11侧壁上设置若干层热风管5的管口，每层沿圆周均布8根热风管5，热风管5采用导热系数较高的空心金属管制成，穿过蓄热罐体9，浸没于盛装在蓄热罐体9中的蓄热介质4中，连通日光井11与蓄热罐体9上方空气；热风管5上设计有换热翅片；在吸热体3下方的日光井11侧壁上沿圆周均布设置8个冷风管7的管口，冷风管7为具有保温效果的空心管，也穿过蓄热介质4，连通日光井11与蓄热罐体9上方空气。如图1、图2所示。

所述的蓄热罐体9采用“半掩式”，即蓄热罐体9的下半部分掩埋在地表以下，蓄热罐体9包括最内层为金属材质的蓄热容器15、中间层保温层16和最外层的防护层17；在蓄热罐体9上方的热风管5和冷风管7的开口处，分别连接有热风常闭阀10和冷风常闭阀8，在热风常闭阀10顶端设置有保温材料28。如图1、图2所示。

在蓄热介质4中，从靠近日光井11外侧壁至蓄热罐体9内壁之间，依次盘绕内层、次内层及最外层蒸汽换热管6；内层、次内层及最外层的蒸汽换热管6一端分别串联内层电磁阀24、次内层电磁阀25及最外层电磁阀26和泵37后伸入水槽27；蒸汽换热管6的另外一端与蒸汽出口22相连；内层测温计19、次内层测温计20及最外层测温计21分别设置在各层蒸汽换热管6上并通过导线与测温控制系统23连接，测温控制系统23与内层电磁阀24、次内层电磁阀25及最外层电磁阀26连接。如图2所示。

所述的蓄热罐体9的蓄热腔不同位置设置有检测测温计18；在蓄热罐体9顶部设计有安全阀38；蓄热介质4选用蓄热容量大、相变温度恒定、热稳定性高的熔融盐。但也可以采用导热油、水、金属、混凝土和砂石中的任一种。

所述的热风常闭阀10包括热风常闭阀顶盖29、热风常闭阀弹簧30、热风常闭阀限位螺杆31，热风常闭阀顶盖29上方设置保温材料28并通过热风常闭阀限位螺杆31与热风管5管体连接，热风常闭阀顶盖29和热风管5之间设置热风常闭阀弹簧30；所述的冷风常闭阀8包括冷风常闭阀顶盖32、冷风常闭阀限位螺杆33、冷风常闭阀弹簧34、阀芯35和楔形堵块36，冷风常闭阀顶盖32通过冷风常闭阀限位螺杆33与冷风管7的管体连接，在冷风常闭阀顶盖32与冷风管7内壁之间形成的阀腔下端设置阀芯35，阀芯35与冷风管7内壁之间设置楔形堵块36，阀芯35与冷风常闭阀顶盖32之间设置冷风常闭阀弹簧34。如图3、图4所示。

实施例1：

如图1所示，一次反射镜1是一个曲率半径较大的凹面反光镜，它固定在地面上，并配有太阳跟踪器，多台一次反射镜组成反射镜阵列。太阳直射辐射经一次反射镜1聚焦后投射到二次反射镜14上，二次反射镜14也是一个凹面反光镜，它通过刚性支架13固定在高空中。辐射被二次反射镜14二次反射并聚焦后，透过日光井盖12投射到日光井11内，焦点落在井底的吸热体3上。日光井盖12是中间有孔的圆盘形薄板，可用耐高温、透光性好的耐高温玻璃制成；日光井11呈圆锥形，使进入井内的高密度太阳腐蚀产生黑体效应，提高吸热效率；日光井11底部放置吸热体3，吸热体3由太阳辐射吸收率高、耐高温、带孔的石墨材料制成；吸热体3搁置在隔板2上，隔板2也是带孔的圆盘扳。在吸热体3上方的日光井11侧壁上，有若干层热风管5的管口，每层沿圆周均布8根热风管5，热风管5是导热系数较高的空心金属管，穿过蓄热罐体9，浸没在蓄热介质4中，连通日光井11与蓄热罐体9上方空气。为了提高热风管5的换热效率，在热风管5上可以设计若干换热翅片。在吸热体3下方的日光井11侧壁上，沿圆周也均布8个冷风管7的管口，冷风管7是具有保温效果的空心管，也穿过蓄热罐体9，浸没在蓄热介质4中，连通日光井11与蓄热罐体9上方空气。

蓄热罐体9采用“半掩式”，即其一部分掩埋在地表以下，减小了占用的空间，且形式美观。并且蓄热罐体9由三层组成，分别是图2所示最内层为金属材质的蓄热容器15，中间层保温层16和最外层的防护层17，如图1、图2所示。

在蓄热罐体9上方的热风管5和冷风管7的开口处，分别连接有热风常闭阀10和冷风常闭阀8。其结构原理图分别如图3和图4所示，在热风常闭阀10顶端有保温材料28。

在蓄热介质4中，从靠近日光井11外侧壁至蓄热罐体9内壁之间，依次盘绕内层、次内层及最外层（也许有更多层蒸汽换热管，这里省略）蒸汽换热管6；同热风管5一样，在蒸汽换热管6管外壁上设计有换热翅片。内层、次内层及最外层的蒸汽换热管6一端分别串联内层电磁阀24、次内层电磁阀25及最外层电磁阀26和泵以后，伸入水槽27；蒸汽换热管6的另外一端与蒸汽出口22相连。内层测温计19、次内层测温计20及最外层测温计21分别检测各层蒸汽换热管6的温度，通过测温控制系统23处理，控制内层电磁阀24、次内层电磁阀25及最外层电磁阀26工作。

为了时时检测蓄热介质温度，在蓄热腔不同位置设置有检测测温计18；并且，为了避免蓄热腔内压强过高，设计有安全阀38，如图1和2所示。蓄热介质4最好选用蓄热容量大、相变温度恒定、热稳定性高的熔融盐。但不限于熔融盐，也可以采用其它蓄热介质，如导热油、水、金属，甚至混凝土和砂石。

当太阳辐射较强时，如图1所示，一次反射镜1跟踪太阳，将直射辐射反射到位于半空中的二次反射镜14。反射辐射被二次反射镜14再次聚焦和反射后，透过正下方的日光井盖12，射入日光井11，焦点落在其底部的吸热体3上。吸热体3周围的空气被吸热体3和聚焦太阳辐射热共同加热后，温度上升，密度减小，在浮力作用下沿日光井11上浮，部分热风从日光井盖12的中间孔流出。随着加热时间的延长，热风管5和日光井11上部压强逐渐增大，当热风管5中的压强足够大时，热风常闭阀10自动打开，热空气从日光井沿着热风管5流出，同时加热热风管5周围的蓄热介质。由于热空气上浮和流出，导致隔板2底部压强减小，空气将从冷风管7流入日光井底部，当冷风管7中的负压达到一定值时，冷风常闭阀8打开，外界冷空气流入日光井底部，被加热后又从热风管5和日光井盖12中间孔流出，形成一个循环。如上过程循环进行，加热蓄热介质，实现太阳能热量储存过程。空气流向如图5所示。

当太阳辐射较弱时（如乌云期或日落后），日光井11和热风管5上部压强减小，热风常闭阀10自动关闭，冷风常闭阀8也随即关闭，空气流动过程停止，蓄热过程也基本终止。另外，热风常闭阀10和冷风常闭阀8关闭可减少热量损失。

在需要生成蒸汽或取出储存的热量时，一旦有测温计检测到蒸汽换热管6中温度达到要求，则对应电磁阀开启，泵从水槽27中汲取的水流经相应层蒸汽换热管6，被加热为高温蒸汽后从蒸汽出口22喷出，实现蒸汽生成过程。若水槽27中盛装的是其它换热液体（如导热油），通过如上过程可实现从蓄热罐中取热任务。

以上对本发明提供的一种高温大容量井式太阳能集热-蓄热装置做了详细说明，并结合具体实施方式做了进一步阐释，以帮助理解本发明的核心思想。对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均有可能发生改变。所以，不应将本说明书理解为对本发明的限制。在本发明基本思想限制下的任何改变均属于本发明范畴之内，本发明的专利保护范围应有权利要求限制。

Claims (5)

1.一种大容量井式太阳能集热-蓄热装置，其特征在于：一次反射镜（1）是一个曲率半径较大的凹面反光镜，固定在地面上，并配有太阳跟踪器，多台一次反射镜组成反射镜阵列；二次反射镜（14）是一个凹面反光镜，其凹面与一次反射镜（1）相对并通过刚性支架（13）固定在高空中；二次反射镜（14）正下方设置呈圆锥形的日光井（11），日光井（11）上方设置采用耐高温、透光性好的耐高温玻璃制成中间有孔的圆盘形日光井盖（12），日光井（11）的井底设置采用太阳辐射吸收率高、耐高温、带孔的石墨材料制成的吸热体（3），吸热体（3）搁置在带孔的圆盘形隔板（2）上；在吸热体（3）上方的日光井（11）侧壁上设置若干层热风管（5）的管口，每层沿圆周均布8根热风管（5），热风管（5）采用导热系数较高的空心金属管制成，穿过蓄热罐体（9），浸没在蓄热介质（4）中，连通日光井（11）与蓄热罐体（9）上方空气；热风管（5）上设计有换热翅片；在吸热体（3）下方的日光井（11）侧壁上沿圆周均布设置8个冷风管（7）的管口，冷风管（7）为具有保温效果的空心管，也穿过蓄热介质（4），连通日光井（11）与蓄热罐体（9）上方空气；蓄热罐体（9）是中间为日光井（11）的空心罐体，里面盛装有蓄热介质（4）。

2.根据权利要求1所述的大容量井式太阳能集热-蓄热装置，其特征在于：所述的蓄热罐体（9）采用“半掩式”，即蓄热罐体（9）的下半部分掩埋在地表以下；蓄热罐体（9）包括最内层为金属材质的蓄热容器（15），中间层保温层（16）和最外层的防护层（17）；在蓄热罐体（9）上方的热风管（5）和冷风管（7）的开口处，分别连接有热风常闭阀（10）和冷风常闭阀（8），在热风常闭阀（10）顶端设置有保温材料（28）。

3.根据权利要求1所述的大容量井式太阳能集热-蓄热装置，其特征在于：在蓄热介质（4）中，从靠近日光井（11）外侧壁至蓄热罐体（9）内壁之间，依次盘绕内层、次内层及最外层蒸汽换热管（6），内层、次内层及最外层的蒸汽换热管（6）一端分别串联内层电磁阀（24）、次内层电磁阀（25）及最外层电磁阀（26）和泵（37）后伸入水槽（27）；蒸汽换热管（6）的另外一端与蒸汽出口（22）相连；内层测温计（19）、次内层测温计（20）及最外层测温计（21）分别设置在各层蒸汽换热管（6）上并通过导线与测温控制系统（23）连接，测温控制系统（23）与内层电磁阀（24）、次内层电磁阀（25）及最外层电磁阀（26）连接。

4.根据权利要求1所述的大容量井式太阳能集热-蓄热装置，其特征在于：所述的蓄热罐体（9）的蓄热腔不同位置设置有检测测温计（18）；在蓄热罐体（9）顶部设计有安全阀（38）；蓄热介质（4）选用蓄热容量大、相变温度恒定、热稳定性高的熔融盐。

5.根据权利要求2所述的大容量井式太阳能集热-蓄热装置，其特征在于：所述的热风常闭阀（10）包括热风常闭阀顶盖（29）、热风常闭阀弹簧（30）、热风常闭阀限位螺杆（31），热风常闭阀顶盖（29）上方设置保温材料（28）并通过热风常闭阀限位螺杆（31）与热风管（5）管体连接，热风常闭阀顶盖（29）和热风管（5）之间设置热风常闭阀弹簧（30）；所述的冷风常闭阀（8）包括冷风常闭阀顶盖（32）、冷风常闭阀限位螺杆（33）、冷风常闭阀弹簧（34）、阀芯（35）、楔形堵块（36），冷风常闭阀顶盖（32）通过冷风常闭阀限位螺杆（33）与冷风管（7）的管体连接，在冷风常闭阀顶盖（32）与冷风管（7）内壁之间形成的阀腔下端设置阀芯（35），阀芯（35）与冷风管（7）内壁之间设置楔形堵块（36），阀芯（35）与冷风常闭阀顶盖（32）之间设置冷风常闭阀弹簧（34）。

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