CN104676919B - 一种双列管结构的太阳能塔式吸热器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双列管结构的太阳能塔式吸热器及其设计方法，包括了外圈吸热管、内圈吸热管、密封鳍片等必要构成部件；根据吸热器设计的要求，外圈吸热管相邻两管之间、外圈与内圈的吸热管之间均留有一定间隙，内圈吸热管通过密排或鳍片结构连接成组，对吸热器接收到的太阳光起到密封及传热作用。本发明有效减小了吸热管向光面与背光面的壁温差，由此可以减小吸热管承受的应力，提高吸热器的安全性，延长吸热器的使用寿命；前后壁温差的减小可以降低对吸热器管子材料的选择要求，由此可以大幅降低吸热器的初投资成本；该类型的吸热器可以提高表面允许的热流密度及平均热流密度，由此可以减小吸热器的外形尺寸，从而提高吸热器的效率。

Description

一种双列管结构的太阳能塔式吸热器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种双列管结构的太阳能塔式吸热器及其设计方法，属于太阳能高温热利用技术领域。

背景技术

太阳能高温热发电技术是太阳能规模利用的一个重要方向，对人类解决化石能源危机、空气污染等问题具有深远的意义。根据聚焦方式的不同，太阳能高温热发电可分为碟式、槽式、塔式三种方式；采用的工质有水(水蒸汽)、熔盐、空气、导热油、液态金属、其他有机物等。塔式聚焦由于具有大容量、高参数等优点而受到世界多国的关注。

塔式热发电技术在国外已经处于商业化运营的初期阶段，已建或在建的大规模商业化项目几乎遍布了各大洲，该技术路线已展示出强大的市场及生命力。尤其是带有储热的太阳能热发电技术，由于具有更长的发电时长及更稳定的电能输出，因此具有广阔的应用前景。我国的塔式热发电事业目前还处于示范化运营阶段，近年来先后建成的一批示范电站有力促进了太阳能热发电事业在我国的开展，一旦获得国家政策的稳定支持，我国的太阳能热发电事业将迎来一个快速发展期。

对于塔式热发电技术，不论是柱面体外表面受光型、还是腔体式内表面受光型的吸热器，通常采用的是管壁式结构：吸热介质在管子内流动，管子排列成平面或弧形面。根据塔式吸热器聚光比高的特点，吸热器吸热管的向光面需要承受较高的热负荷，局部热流密度能达到1000kW/m2以上，而背部通常是绝热保温结构。因此单侧受光的吸热管前后侧存在较大温差，在热流密度高的区域，吸热管的前后温差会超过200℃，由此导致吸热器管的严重变形，在吸热器结构的约束下，吸热器管需要承受很高的应力。再加上太阳能间歇性、多变性(云量等因素的影响等)的固有特点，容易导致吸热器管的破裂及失效，从而影响到整个太阳能塔式热发电系统的安全运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种双列管结构的太阳能塔式吸热器及其设计方法，即太阳能吸热器的吸热管交错排列成前后两排；当吸热器为圆柱型或多面棱柱型结构时，前后两排吸热管分别变成外圈吸热管与内圈吸热管。外圈吸热管的相邻两根管子之间留有一定间隙，使部分太阳光可以通过间隙照射到内圈吸热管上。内圈吸热管接受到的一部分太阳光通过反射或热辐射的方式，对外圈吸热管的后半部分进行加热，由此可以有效减小吸热管壁的前后温差，达到减小热应力、延长吸热器寿命的目的。

本发明解决上述的技术问题采用的技术方案是：一种双列管结构的太阳能塔式吸热器，包括吸热模块，所述的吸热模块包括了外圈吸热管、内圈吸热管和密封鳍片；外圈吸热管相邻两管之间、外圈吸热管与内圈吸热管之间均留有一定间隙，内圈吸热管通过密排或鳍片结构连接成组，对该双列管结构的太阳能塔式吸热器接收到的太阳光起到密封及传热作用。

进一步的，在外圈吸热管和内圈吸热管的向光面有一层高吸收性的涂层。

进一步的，该双列管结构的太阳能塔式吸热器包括若干吸热模块，每个吸热模块还包括进口集箱、中间集箱以及出口集箱，在每个吸热模块中，工质从进口集箱进入到吸热模块，分别流经外圈吸热管、中间集箱、内圈吸热管，再从出口集箱流出进入到下一个吸热模块。

进一步的，该双列管结构的太阳能塔式吸热器外形可以由多个圆弧面构成的圆柱型，也可以是由多个平面构成的棱柱型，还可以是弧面或平面拼成的多面体、腔体式结构。

另外，本发明提供一种双列管结构的太阳能塔式吸热器的设计方法，该方法设计的吸热器的吸热管在太阳光入射方向上呈前后两排的错列分布，投射到吸热器上的太阳辐射一部分照射到前排吸热管上，还有一部分通过前排吸热管之间的空隙照射到后排吸热管上，在进行吸热器设计时可以通过计算，确定前排相邻吸热管之间的间距、前后两排吸热管之间的距离、前后排吸热管直径，计算投射到前排及后排吸热管上能量分配比率，投射到后排吸热管上的太阳辐射，一部分通过反射或热辐射的方式把能量传递到前排吸热管的背光侧，由此可以显著降低前排吸热管向光侧及背光侧之间的温差。

进一步的，该方法对于后排的吸热管，由于接收到的太阳辐射量减小，有助于降低前后侧的温差，后排的吸热管可以根据吸热器的几何尺寸、管子大小因素呈密布排列，也可以在相邻管之间通过鳍片结构连接，鳍片对吸热器起到密封及传热作用，该结构有利于减小散热损失、提升吸热器的热效率。

本发明的原理在于：

本发明提供了一种双列管结构的太阳能塔式吸热器，吸热器吸热管在太阳光入射方向上呈前后两排的错列分布。投射到吸热器上的太阳辐射一部分照射到前排吸热管上，还有一部分通过前排吸热管之间的空隙照射到后排吸热管上。在进行吸热器设计时可以通过计算，确定前排相邻吸热管之间的间距、前后两排吸热管之间的距离、前后排吸热管直径等方法，计算投射到前排及后排吸热管上能量分配比率。投射到后排吸热管上的太阳辐射，一部分通过反射或热辐射的方式把能量传递到前排吸热管的背光侧，由此可以显著降低前排吸热管向光侧及背光侧之间的温差。对于后排的吸热管，由于接收到的太阳辐射量减小，因此也有助于降低前后侧的温差。后排的吸热管可以根据吸热器的几何尺寸、管子大小等因素呈密布排列，也可以在相邻管之间通过鳍片结构连接，鳍片对吸热器起到密封及传热作用，该结构有利于减小散热损失、提升吸热器的热效率。这种双列管结构的太阳能塔式吸热器工作原理如图1、图2所示。

对于太阳能塔式热发电技术而言，由于要获得较高的吸热器效率，吸热器上光斑的聚光比通常会达到1000倍以上，吸热管上局部的热流密度有时会超过1MW/m²，最新设计的吸热器，局部热流密度可以达到1.5MW/m²。而吸热器背部通常为保温绝热结构，因此吸热管背光侧的温度通常与内部吸热介质的温度近似相同。在吸热管的向光与背光侧存在很高的温差，在高热流密度条件下，温度差值会达到200～350℃。吸热管两侧过高的温差会导致吸热管弯曲变形，在吸热器相关结构的约束下，可能会导致吸热管承受很大热应力。同时投射到吸热器表面的太阳辐射还具有周期性特点；在多云的条件下，吸热器表面的太阳辐射强度还会存在剧烈波动。由此会导致吸热器管子的破损及失效。因此必须采取针对性措施降低吸热管前后侧的温差，提升吸热器的可靠性。

本发明上述双列管结构的太阳能塔式吸热器具有如下显著特点：

(1)本发明有效减小了吸热管向光面与背光面的壁温差，由此可以减小吸热管承受的应力，提高吸热器的安全性，延长吸热器的使用寿命；

(2)本发明前后壁温差的减小可以降低对吸热器管子材料的选择要求，由此可以大幅降低吸热器的初投资成本；

(3)本发明该类型的吸热器可以提高表面允许的热流密度及平均热流密度，由此可以减小吸热器的外形尺寸，从而提高吸热器的效率。

附图说明

图1为本发明的一种双列管结构的太阳能塔式吸热器的内圈吸热管和外圈吸热管的剖面示意图。

图2为图1的局部放大示意图。

图3为本发明的一种双列管结构的太阳能塔式吸热器一个示例简图(包含工质流程)。

图中：1为外圈吸热管，2为内圈吸热管，3为密封鳍片，4为进口集箱，5为中间集箱，6为出口集箱。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图3所示，本发明包括外圈吸热管1、内圈吸热管2、密封鳍片3(图3中未示出)、进口集箱4、中间集箱5、出口集箱6等。由于密封鳍片3相对于整个吸热器的尺寸较小，因此在图3的示例中没有画出，密封鳍片3具体的结构可以参见本发明中的图1与图2。在本示例中，除包含太阳入射光线在吸热管外部的吸收、反射等过程外，还对工质流程进行了简要描述。

本示例中双列管结构的太阳能吸热器为多面棱柱、外受光型结构。每个吸热器包含多个吸热模块，每个模块的外圈吸热管1、内圈吸热管2的下部端口分别与工质进口集箱4、出口集箱6连接，而在吸热管上部端口与中间集箱5连接。这样每个吸热模块就构成工质回路中的一个单元，在本示例中所绘出的三个吸热模块工质呈串联连接，也即传热工质从右向左依次流经三个吸热模块，在每个模块中，工质从进口集箱4进入到模块，分别流经外圈吸热管1、中间集箱5、内圈吸热管2，再从出口集箱6流出进入到下一个吸热模块。在进行吸热器设计时，也可以使多个吸热模块通过串联、并联或混合连接方式组成需要的工质回路，以满足不同的吸热器设计要求。

在本示例中，入射光线投射到吸热模块表面，一部分被外圈吸热管1吸收，还有一部分通过外圈吸热管1之间的空隙照射到内圈吸热管2上，该部分太阳能除了被内圈吸热管2直接吸收外，还有一部分通过反射或热辐射的方式照射到外圈吸热管1的背光面。通过优化外圈吸热管1之间的距离、外圈吸热管1与内圈吸热管2之间的间距、外圈与内圈吸热管直径等方法，分配照射到外圈吸热管1与内圈吸热管2上的入射辐射量，使双列管结构达到最大降低前后温差的效果。

在本示例中，相邻内圈吸热管2之间通过密封鳍片3连接成组，密封鳍片3可以避免入射光线照射到吸热器后的相关结构上、减小吸热器的散热损失，并可以起到传热、均温的作用。对于外圈吸热管1而言，由于内圈吸热管2的反射及热辐射作用，可以有效提高外圈吸热管1背光面的温度，减小向光面与背光面之间的温差。同时由于内圈吸热管2接收到的太阳辐射量大幅减小，也可以有效降低内圈吸热管2向光面与背光面的温差。从上述论述可以看出，对于双列管结构的太阳能塔式吸热器，可以有效降低吸热管向光及背光面温差，降低吸热管材料的选择标准、提高吸热器表面的允许热流密度，对吸热器的安全性和经济性都是非常有益的。

双列管结构的太阳能塔式吸热器对投入到吸热器上的入射光线进行了分解，使后排吸热管接收到的太阳辐射量减小，并通过后列吸热管的反射及热辐射效应对前排吸热管进行加热，由此可以有效减小吸热管向光面及背光面的温差，降低吸热管承受的热应力、减小吸热管发生损坏及失效的概率，延长吸热器的使用寿命等。该技术应用到塔式热发电的工程实践中具有非常好的应用前景。

本发明中涉及到的本领域公知技术未详细阐述。

Claims (4)

1.一种双列管结构的太阳能塔式吸热器，包括吸热模块，其特征在于：所述的吸热模块包括了外圈吸热管(1)、内圈吸热管(2)和密封鳍片(3)；外圈吸热管(1)相邻两管之间、外圈吸热管(1)与内圈吸热管(2)之间均留有一定间隙，内圈吸热管(2)通过密排或鳍片结构连接成组，对该双列管结构的太阳能塔式吸热器接收到的太阳光起到密封及传热作用；

在外圈吸热管(1)和内圈吸热管(2)的向光面有一层高吸收性的涂层；

该双列管结构的太阳能塔式吸热器包括若干吸热模块，每个吸热模块还包括进口集箱(4)、中间集箱 (5)以及出口集箱(6)，在每个吸热模块中，工质从进口集箱(4)进入到吸热模块，分别流经外圈吸热管(1)、中间集箱(5)、内圈吸热管(2)，再从出口集箱(6)流出进入到下一个吸热模块。

2.根据权利要求1所述的一种双列管结构的太阳能塔式吸热器，其特征在于：该双列管结构的太阳能塔式吸热器外形由多个圆弧面构成的圆柱型，或者是由多个平面构成的棱柱型，或者是弧面或平面拼成的多面体、腔体式结构。

3.一种双列管结构的太阳能塔式吸热器的设计方法，该设计方法设计出权利要求1所述的双列管结构的太阳能塔式吸热器，其特征在于：该方法设计的吸热器的吸热管在太阳光入射方向上呈前后两排的错列分布，投射到吸热器上的太阳辐射一部分照射到前排吸热管上，还有一部分通过前排吸热管之间的空隙照射到后排吸热管上，在进行吸热器设计时能够通过计算，确定前排相邻吸热管之间的间距、前后两排吸热管之间的距离、前后排吸热管直径，计算投射到前排及后排吸热管上能量分配比率，投射到后排吸热管上的太阳辐射，一部分通过反射或热辐射的方式把能量传递到前排吸热管的背光侧，由此显著降低前排吸热管向光侧及背光侧之间的温差。

4.根据权利要求3所述的一种双列管结构的太阳能塔式吸热器的设计方法，其特征在于：该方法对于后排的吸热管，由于接收到的太阳辐射量减小，有助于降低前后侧的温差，后排的吸热管可以根据吸热器的几何尺寸、管子大小因素呈密布排列，也能够在相邻管之间通过鳍片结构连接，鳍片对吸热器起到密封及传热作用，该结构有利于减小散热损失、提升吸热器的热效率。