CN104567027A - 塔式太阳能中温热管式接收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于塔式太阳能热发电的中温热管式接收器。该接收器由热管(1)，进光孔(2)和壳体(3)组成。热管中有中温流体作为循环工质；进光孔为接收太阳能的界面；壳体呈六面体型，整体采用框梁结构。热管分为蒸发段(1-1)和冷凝段(1-2)，中间焊有接触块。蒸发段在下，位于壳体内部；冷凝段在上，位于壳体外部；冷凝段外采用夹套管(4)，夹套管顶部和底部均布置进出口管，进出口管由接口法兰(10)与上下联箱(6)(7)联接。套管内部有高温导热油作为传热流体。与传统的塔式接收器相比，该接收器采用热管式，同时能够用于250℃～400℃之间的中温段，保证系统可靠性，提高效率。

Description

塔式太阳能中温热管式接收器

技术领域

本发明涉及一种太阳能与生物质能综合多级利用装置，属于新能源利用技术领域。

背景技术

在塔式太阳能热发电系统中，太阳能接收器是实现塔式太阳能热发电最为关键的核心技术，它将定日镜所捕捉、反射、聚焦的太阳能直接转化为可以高效利用的高温热能，为发电机组提供所需的热源或动力源，从而实现太阳能热发电的过程。为了提高接收器能量转换效率，国内外对各种接收器都进行了深入广泛的研究，不同型式的接收器的结构复杂程度不同，在工程应用中各有优劣。

传统的塔式太阳能热管式接收器中，热管内工质通常选择水、汞等。但是钢-水热管换热器通常用于200～300℃以下的低温段，被加热的冷流体介质的品质因素较低，效果不是十分理想。汞虽然可以在200～500℃间使用，但汞的成本高，且有毒性，缺乏实用性。

在本发明之前，专利号为201010574469.8的中国专利公开了一种采用热管作为吸热单元的空腔型太阳能接收器。虽然热管高效的传热性能可以提高接收器的传热能力，增强稳定性。但是此结构的接收器依然存在一些不可忽视的问题，对接收器的工作存在一定的影响。从结构上看，太阳辐射经反射镜面从接收器底部进入腔体内，而热管竖直地分布在腔体四周，使得光线无法垂直入射到热管上，造成热管上辐照度分布不均，可能导致热管受热不均的问题。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是提供一种可用于中温塔式太阳能的经济高效的热管式接收器。

技术方案：一种塔式太阳能中温热管式接收器，其特征在于能够将塔式集热器应用于中温(250℃至400℃)段，使中温热利用具有广阔的发展前景。如附图2所示，主要包括：热管(1)、进光孔(2)和壳体(3)。具体的，壳体(3)采用六面体结构。其特征在于面(3-1)为进光孔(2)所在平面，其大小由进光孔大小决定，其倾斜角度由反射光线决定，即与中心光线垂直。面(3-3)为一正方形，其尺寸由热管蒸发段(1-1)决定，其倾斜角度与面(3-1)相同。面(3-2)垂直于面(3-1)和面(3-3)，其尺寸由面(3-1)和面(3-3)共同决定，形状为等腰梯形。面(3-4)为接收器底面，与塔平面相连接。面(3-5)和面(3-6)为接收器侧面。壳体(3)整体采用框量结构，框梁采用的材料为Q235A。接收器内附耐火砖，耐火砖外为支撑钢板。如果需要，可能还要加保温棉，视接收器内部温度而定。

热管(1)作为本接收器的主要换热元件，包括蒸发段(1-1)和冷凝段(1-2)。其中热管采用并列并排布置，倾斜放置。热管本身为无缝钢管，材质选用45钢。热管内部穿网，采用三层丝网结构。具体的，蒸发段(1-1)放置在壳体(3)的面(3-3)上，位于壳体内部，每根热管蒸发段(1-1)布置纵向翅片(5)两片，翅片材质为45钢。热管蒸发段(1-1)和翅片(5)外表面涂有Paromark涂料，以增加蒸发段的吸收率和发射率。冷凝段(1-2)位于壳体外。蒸发段和冷凝段间焊有接触块(11)，材质选用45钢，一端焊接在蒸发段和冷凝段中间的热管上，一端焊接在壳体(3)框梁上，用以将热管固定。热管冷凝段(1-2)外焊有夹套管(4)，如附图2所示。夹套管材料选用45钢，焊接到冷凝段的钢管上。夹套管顶部和底部均布置进出口(8)(9)，进出口采用错位布置，进出口管由接口法兰(10)与上下联箱(6)(7)相联。上联箱(6)联接出口管(8)，下联箱(7)联接进口管(9)。

进光孔(2)作为接收器接受太阳辐射的界面，采用十字拉筋，可以采用但不限于双层石英玻璃密封，耐火泥勾缝。且进光孔平面垂直于中心反光镜的正午光线，以保证反射的太阳辐射最大可能的进入接收器。

对于太阳能在接收器中的能量传递与转换，其具体过程为：太阳辐射经进光孔射入壳体(3)内部，被热管蒸发段(1-1)吸收。热管内充有中温流体。中温流体在蒸发段(1-1)受热蒸发，带走辐射热量，该热量转变为中温流体的蒸发潜热。蒸汽从中心通道流向热管冷凝段(1-2)，凝结成液体，同时放出潜热，在重力的作用下，液体流回到蒸发段(1-1)。这样，完成一个闭合循环，从而将大量热量从蒸发段传到冷凝段(1-2)。夹套管(4)内采用高温导热油作为传热流体。储存在下联箱(7)中的温度较低的导热油经进口管(9)进入套管(4)，吸收套管(4)里中温流体放出的潜热后，经过出口管(8)进入上联箱(6)。从而将太阳能存储到高温导热油中，方便后面的热利用。

相比于专利号为201010574469.8的中国专利公开的一种采用热管作为吸热单元的空腔型太阳能接收器，本专利在兼具吸热单元性能优异的优点的同时，又克服了如前所述的问题，且具有以下明显的优势：

本发明的接收器为一六面体型，其中进光孔与中心反光镜的正午光线垂直，在大部分时段内可以保证热管接收到最大的辐照强度。同时，热管采用并列并排放置，避免了部分中温热管发生空载的情况。

每根热管蒸发段布置纵向翅片两片，两个热管蒸发段间无间隙，避免了光线漏入到腔体内壁，增加了蒸发段的吸热量，提高了接收器的效率。

有益效果：

与传统塔式太阳能接收器相比，本发明所提供的中温热管式接收器的有益效果在于：用热管可以提高可靠性，一根管子失效不影响整体性能。热管传热具有自适应性，热流密度大的地方传输功率大，对系统运行有利。热管工作时，两端为自由端，不需要固支，减少热应力对系统的影响。同时热管冷热侧传热面积可以自由调节，提高传热效率。采用有机工质萘作为热管内的循环介质，工作温度适宜于中温。同时与工质汞和导热姆A相比，在相同工作温度和负荷范围内，萘工质有较强的沸腾换热能力，其冷凝段两端温差小。同时在中温范围内，萘的成本低且容易控制。因而，采用萘热管作为塔式太阳能接收器的中温热管，具有经济高效的优势。

附图说明

图1为中心镜和接收器的位置示意图。附图1中标记与部件名称之间的对应关系为：12接收塔；13接收器；14中心镜。

图2为塔式太阳能中温热管式接收器结构图。

图3为接收器壳体部分的尺寸示意图。

附图2和附图3中标记与部件名称之间的对应关系为：1热管；1-1蒸发段；1-2冷凝段；2进光孔；3壳体；3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6为壳体六个面；4夹套管；5翅片；6上联箱；7下联箱；10接口法兰；11接触块。

图4为中温热管排布示意图。

图5为冷凝段的结构及尺寸示意图。

附图4和附图5中标记与部件名称之间的对应关系为：8出口管；9进口管。附图标记：1-槽式太阳能集热装置、2-生物质燃料循环流化床锅炉装置、3-生物质燃料循环流化床锅炉辅助加热装置、4-减温减压装置、5-汽轮机、6-电网、7-阀门、8-二级空调子系统、9-三海水淡化子系统、10-四级生活热水子系统、11-蓄热装置、12-过热器、13-蒸汽发生器、14-支路循环泵、15-支路循环换热器、16-再热器、17-膨胀罐、18-给水循环泵、19-二级换热器、20-空调用户、21-冷冻水循环泵、22-制冷机、23-冷却水循环泵、24-冷却塔、25-冷却水储水箱、26-冷冻水储水箱、27-闪蒸室、28-海水储水箱、29-冷凝室、30-淡水储水箱、31-四级换热器、32-生物质料仓、33-给料机、34-生物质反应器、35-旋风分离器、36-分离器中心筒、37-省煤器、38-空气预热器、39-生物质过热器、40-风机。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种塔式太阳能中温热管式接收器，其特征在能够将塔式集热器应用于中温(250℃-400℃)段，使中温热利用具有广阔的发展前景。

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和发明实例对本发明作进一步的详细说明。

在一种发明实例中，接收器的主要结构包括：热管(1)、进光孔(2)和壳体(3)。具体的，进光孔(2)作为接收器接受太阳辐射的界面，其尺寸由反射镜的尺寸及中心的镜的布置所确定。请参考附图1，附图1为中心镜(14)和接收器(13)的位置示意图，图1中尺寸标注的单位为：m。假设聚光镜为边长为1m的正方形，以35m处镜子即中心镜(14)为设计点，塔(12)高25m，集热器进光孔为1.5m高，2.5m宽的长方形，与水平面呈54°夹角，即垂直中心光线。同样可以得到其他一些尺寸。比如接收器深2.5m(垂直于进光孔方向)，热管蒸发段长度为3.3m。接收器安装面，即与塔座接触面长3.1m，如附图3所示。进光孔中间需要加多根梁，用于支撑玻璃。具体梁的根数、间距、形式，需要明确玻璃板大小后确定。暂定采用高向二等分，宽向三等分，厚度为3mm的双层石英平板玻璃，十字拉筋，耐火泥沟缝。

请参考附图2和附图3，附图2为塔式太阳能中温热管式接收器结构图，附图3为该接收器壳体部分的尺寸示意图，分别为侧视图、俯视图(垂直于面3-2)以及进光孔示意图。壳体(3)采用六面体结构。其特征在于面(3-1)为进光孔(2)所在平面，由附图1可知，其形状为高1.5m，宽2.5m的长方形。其倾斜角度由反射光线决定，即与中心光线垂直，设计实例中倾斜角约为54°。面(3-3)设计为边长约3.82m的正方形面。其倾斜角度与面(3-1)相同。面(3-2)垂直于面(3-1)和面(3-3)，其尺寸由面(3-1)和面(3-3)共同决定，形状为一等腰梯形。从垂直于进光孔的方向看，接收器深度为2.5m。面(3-4)为接收器底面，与塔平面相连接，长约3.1m。面(3-5)和面(3-6)为接收器侧面。壳体(3)整体采用框梁结构，六个面的边框的材质为Q235A，面内每米采用10槽钢拉筋。接收器内附耐火砖，厚度不少于10cm。耐火砖外为支撑钢板，采用3mm厚45钢，如果需要，可能还要加保温棉，视接收器内部温度定。

再结合附图4，附图4为中温热管排布示意图。热管(1)作为本接收器的主要换热元件，由蒸发段(1-1)和冷凝段(1-2)两部分组成。热管(1)选用外直径60mm的无缝钢管，材料选用45钢，要求工作温度为650℃，壁厚4mm。热管(1)内穿网，采用三层丝网，贴近壁面为一层200目，其余两层为50目。中温流体充液量约4-6升。热管(1)总长约5m(顶部预留20cm，作为不凝气体的空间)。其中蒸发段(1-1)长3.3m，冷凝段(1-2)长1.5m。共计使用37只热管，接受面横向宽度为3.7m。蒸发段(1-1)放置在壳体(3)的面(3-3)上，位于壳体内部，每根热管蒸发段(1-1)布置纵向翅片(5)两片，翅片高度20mm，翅片厚度3mm，对称布置。热管蒸发段(1-1)和翅片(5)外表面涂有Paromark涂料，以增加蒸发段的吸收率和发射率。冷凝段(1-2)位于壳体外。蒸发段和冷凝段间焊有接触块(11)，材质选用45钢，一端焊接在蒸发段和冷凝段中间的热管上，一端焊接在壳体(3)框梁上，用以将热管固定。热管冷凝段(1-2)外焊有夹套管(4)，如附图5所示，附图5为热管冷凝段的结构尺寸示意图，单位为：mm。夹套管(4)直径90mm，长度为1.5m，材料为45钢(工作温度在450℃，保证焊接性能)。夹套管(4)顶部和底部均布置进出口管(8)(9)，采用错位布置。管径为22mm。进出口管与上下联箱间用接口法兰(10)联接，外径为105mm。第一根套管的进口管中心线距离套管底部为40mm，出口管距离套管顶部为80mm，上下接管长度均为100mm。第二根套管的进口管中心线距离套管底部为80mm，出口管距离套管顶部为40mm，上下接管长度均为50mm。法兰承压为1.0MPa。上下接管与上下联箱(6)(7)相联。

对于太阳能在接收器中的能量传递与转换，其具体过程为：太阳辐射经进光孔射入壳体(3)内部，被热管蒸发段(1-1)吸收。热管内充有中温流体。中温流体在蒸发段(1-1)受热蒸发，带走辐射热量，该热量转变为中温流体的蒸发潜热。蒸汽从中心通道流向热管冷凝段(1-2)，凝结成液体，同时放出潜热，在重力的作用下，液体流回到蒸发段(1-1)。这样，完成一个闭合循环，从而将大量热量从蒸发段传到冷凝段(1-2)。夹套管(4)内采用高温导热油作为传热流体。储存在下联箱(7)中的温度较低的导热油，设计温度约为350℃，经进口管(9)进入套管(4)，吸收套管(4)中中温流体放出的潜热后，经出口管(8)进入上联箱(6)，设计出口温度约为400℃。从而达到将太阳能存储到高温导热油中，方便后面的热利用。

对于本发明中的中温流体，可以采用但不限于有机工质萘作为热功能流体，特点是萘的工作温度范围是150℃至475℃之间，适用于中温热管，与同为中温范围下的工质汞和导热姆A相比，在相同工作温度和负荷范围内，萘工质有较强的沸腾换热能力，其冷凝段两端温差小。同时在中温范围内，萘的成本低且容易控制。因而，采用萘热管作为塔式太阳能接收器的中温热管，具有经济高效的优势。

Claims (8)

1.一种塔式太阳能中温热管式接收器，其特征在于能够将塔式接收器应用于中温(250℃-400℃)段。主要结构包括：热管(1)、进光孔(2)和壳体(3)；其中壳体(3)采用六面体结构，其特征在于进光孔(2)所在平面为面(3-1)，上表面为面(3-2)，热管蒸发段所在平面为面(3-3)，与塔平台相连接的平面为面(3-4)，两个侧面分别为面(3-5)和面(3-6)；热管(1)中循环工质为中温流体；热管(1)分为蒸发段(1-1)和冷凝段(1-2)；蒸发段(1-1)在下，位于壳体(3)内部；冷凝段(1-2)在上，位于壳体(3)外部；冷凝段(1-2)外采用夹套管(4)，夹套管(4)顶部和底部均布置进出口管(8)(9)，进出口采用错位布置，进出口管由接口法兰(10)与上下联箱(6)(7)相联。上联箱(6)联接出口管(8)，下联箱(7)联接进口管(9)；套管(4)内部的传热流体为高温导热油；蒸发段(1-1)与冷凝段(1-2)间焊有接触块(11)。 

2.根据权利要求1所述的壳体(3)，整体采用框梁结构，框梁采用的材料为Q235A；六个面内每米采用十槽钢拉筋；壳体内附耐火砖，并加装保温棉，耐火砖外为支撑钢板；支撑钢板采用45钢。 

3.根据权利要求1所述的热管(1)，并列并排布置，倾斜放置；热管本身为无缝钢管，材质选用45钢；热管内部穿网，采用三层丝网结构。 

4.根据权利要求1所述的蒸发段(1-1)位于热管下部，在两根热管(1)之间布置纵向翅片(5)；翅片材质为45钢；热管蒸发段(1-1)和翅片(5)外表面涂有Paromark涂料。 

5.根据权利要求1所述的冷凝段(1-2)位于热管上部，其外采用夹套管形式；夹套管材料选用45钢，焊接到冷凝段的钢管上；每个套管(4)与上下联箱形成流体通道，上联箱(6)上设置流体出口管(8)，下联箱(7)上设置流体进口管(9)，进出口采用错位布置。 

6.根据权利要求1所述的热管(1)中的中温流体采用有机工质萘；套管(4)上进出口采用错位布置，高温导热油由下联箱(7)进入套管(4)中，经冷凝段(1-2)换热后流入上联箱(6)，导热油采用强制循环。 

7.根据权利要求1所述的接触块(11)，采用45钢，一端焊接在蒸发段和冷凝段中间的热管上，一端焊接在壳体(3)框梁上。 

8.根据权利要求1所述的进光孔(2)，采用十字拉筋，双层石英玻璃密封，耐火泥勾缝；且进光孔垂直于中心反光镜的正午光线。