CN104764220B - 基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能热利用领域，特别涉及一种基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统及方法。储热系统内盛纳作为储热介质的沙子，储热系统分为上部的储热冷罐和下部的储热热罐两部分，储热冷罐与储热热罐之间通过两根安装有吸沙泵的管道连接，其中一根管道上安装有蒸汽发生器；凸面镜设置于储热系统的上方，凸面镜的凸面朝向储热系统；定日镜将太阳光反射到凸面镜的凸面上，再由凸面镜将反射的太阳光聚焦到储热介质上。当沙子加热到所需温度时，由右侧吸沙泵驱动经由蒸汽发生器放热，用以加热工质，放热结束后再回到储热冷罐中，实现一次循环。本发明提出的一体化太阳能集热和储热系统结构简单、技术要求低，易于安装，并提高了太阳辐射能的利用率。

Description

基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能热利用领域，特别涉及一种基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统及方法。

背景技术

目前，在世界范围内煤、石油、天然气等一次能源的储量正在迅速下降，能源危机已成为困扰全球的大问题。与此同时，社会的可持续发展要求能源开发同环境保护、生态平衡和谐发展。太阳能作为一种清洁可再生的新能源，取之不尽，用之不竭。沙子作为储热系统的循环工质，具有廉价和耐高温(高达1000摄氏度以上)等优点，足以满足塔式太阳能热发电集热系统对储热系统运行温度的要求(一般为550-650摄氏度)。依靠自身重力，沙子可以自由掉落，节约储热系统近一半循环动力，从而降低厂用电力，其意义重大。此类技术的核心是利用高倍聚光的凸面镜将定日镜反射的太阳光聚焦到托台上，加热循环工质，利用循环工质进行热量传递。这种循环方式结构简单，技术要求低，易于安装，可以节约能源，降低成本。该技术的关键在于储热系统储存热量并加热工质(水/蒸气/导热油等)。目前的相关专利提出的塔式太阳能发电系统中储热系统的传热介质都是熔盐，太阳能集热技术和储热系统是本发明申请人长期研究的课题，此前已经有一项“采用两种不同熔盐的塔式太阳能发电系统”发明授权专利(CN203394692.U)，其使用的传热介质是60％硝酸钠和40％硝酸钾的二元熔盐，本发明的传热介质是沙子，沙子明显比二元熔盐价格低廉,可以降低成本。此前还有一项“反射塔底式太阳能聚焦集热装置”发明授权专利(CN102914064A)，相较于此发明，本发明的优点在于：1，可以根据实际需要来调节储热量，减少能量的浪费；2，储热装置一体化，循环物质(沙子)的流动使热量分布均匀，避免了上述发明中储热换热器依靠导热来传递热量的弊端(导热使热量分布不均)。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统及方法。

本发明所述系统采用的技术方案为：

该系统包括凸面镜、定日镜和储热系统；

所述储热系统内盛纳作为储热介质的沙子，储热系统分为上部的储热冷罐和下部的储热热罐两部分，储热冷罐下端出口处设置可调节开度的开关；储热冷罐与储热热罐之间通过两根安装有吸沙泵的管道连接，其中一根管道上安装有蒸汽发生器；

所述凸面镜设置于储热系统的上方，凸面镜的凸面朝向储热系统；定日镜将太阳光反射到凸面镜的凸面上，再由凸面镜将反射的太阳光聚焦到储热介质上。

所述储热冷罐和储热热罐组成沙漏的形式，所述凸面镜、储热冷罐、储热热罐在竖直方向上同轴心排列。

所述储热冷罐为方形容器，其内部设置有倒置的圆锥槽；所述圆锥槽的锥角略大于凸面镜的聚焦角，且所述圆锥槽的圆锥面沿锥角向上延伸与凸面镜的凸面相交。

所述储热热罐内靠近储热热罐入口的位置设置由柱体和圆盘组成的托台；柱体与储热热罐底部相连接以支撑圆盘，且柱体与储热冷罐内圆锥面同轴心，所述圆盘的边缘与储热热罐壳体间留有缝隙，以保证沙子顺利由圆盘上掉落；所述凸面镜反射的太阳光聚焦到托台上。

所述储热冷罐和储热热罐左右两侧分别在靠近上、下边缘的中心位置开有圆孔，用来安装管道。

所述蒸汽发生器内的换热介质为水、蒸气或导热油。

所述管道、储热冷罐、储热热罐均采用耐热性能高于800℃的材料，管道、储热冷罐、储热热罐内壁均涂覆或铺设耐热性能高于800℃的保温材料。

一种基于所述的二次反射镜的太阳能集热和储热系统的方法，具体步骤为：

二次反射光聚焦到托台上；

当储热冷罐中的沙子掉落到储热热罐内的托台上时被聚焦太阳光加热，随着储热冷罐中沙子的掉落，托台上的沙子掉入储热热罐中；通过开关调节沙子的流速；

开启不带蒸汽发生器的管道上的吸沙泵，将储热热罐内的沙子返回到储热冷罐中，如此反复；

当沙子的温度上升到所需温度时，开启带蒸汽发生器的管道上的吸沙泵，使沙子放热，以加热蒸汽发生器内的循环工质。

所述沙子放热的温度为600℃以上的温度。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述系统可以在加热蒸汽发生器内的循环工质的同时储存热量，而现有技术是加热工质过程和储存热量过程不是同步进行的，由于流程的缩短，沿程的热量耗散就大大减少，使太阳光辐射能的利用率增加。储热系统的循环工质(沙子)既经济又环保，符合如今可持续发展战略的思想。

(2)可以根据实际需要来调节储热量，减少能量的浪费；

(3)储热装置实现了一体化，循环物质(沙子)的流动使热量分布均匀，避免了现有技术中储热换热器依靠导热来传递热量的弊端(导热使热量分布不均)。

(4)结构简单，安装方便，技术要求低，不需要繁琐的制造过程，降低了人力物力。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的纵向剖面图；

图中标号：

1-凸面镜；2-集热器支架；3-连接支架；4-管道；51-储热冷罐；52-储热热罐；6-蒸汽发生器；7-吸沙泵；8-托台；9-开关；10-定日镜；11-太阳。

具体实施方式

本发明提供了一种基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统及方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，凸面镜1固定在集热器支架2上，集热器支架2固定在连接支架3上；储热系统由上下排列的储热冷罐51和储热热罐52组成，由连接支架3连接固定；两根装置吸沙泵7的管道4分别连接储热冷罐51的顶部和储热热罐52的底部，其中一根管道4上安装蒸汽发生器6。定日镜10置于适当位置，调整角度，使定日镜10将太阳光反射到凸面镜1上，再由凸面镜1将太阳光反射聚焦到储热系统的储热介质中。

本发明的储热介质为沙子，沙子具有廉价和耐高温(高达1000摄氏度以上)等优点，同时沙子的流动可以使热量分布均匀，避免了现有技术中储热换热器依靠导热来传递热量的弊端。

为了提高储热效率，可以对所述系统进行如下改进，如图2所示。所述凸面镜1、储热冷罐51、储热热罐52在竖直方向上同轴心排列。储热冷罐51为方形容器，其内部设置有倒置的圆锥槽；所述圆锥槽的锥角略大于凸面镜1的聚焦角，且所述圆锥槽的圆锥面沿锥角向上延伸与凸面镜1的凸面相交。储热冷罐51的下方出口处设置用于调节沙子流量的开关9。

在储热热罐52内靠近储热热罐入口的位置设置由柱体和圆盘组成的托台8；柱体与储热热罐52底部相连接以支撑圆盘，且柱体与储热冷罐51内圆锥面同轴心，所述圆盘的边缘与储热热罐52壳体间留有缝隙，以保证沙子顺利由圆盘上掉落；所述凸面镜1反射的太阳光聚焦到托台8上。

考虑到沙子的性质，管道4、储热冷罐51、储热热罐52均采用耐热性能高于800℃的材料，防止系统受热变形；同时，管道4、储热冷罐51、储热热罐52内壁均涂覆或铺设耐热性能高于800℃的保温材料，以减少热量损失。

工作时，储热冷罐51中的沙子掉落到储热热罐52内的托台8上时被聚焦太阳光加热，随着储热冷罐51中沙子的掉落，托台8上的沙子掉入储热热罐52中；通过开关9调节沙子的流速；开启不带蒸汽发生器6的管道4上的吸沙泵7，将储热热罐52内的沙子返回到储热冷罐51中，如此反复加热；当沙子的温度上升到所需温度时，开启带蒸汽发生器6的管道4上的吸沙泵7，使沙子放热，以加热蒸汽发生器6内的换热工质(通常采用水/蒸气/导热油等)。例如，沙子的放热温度为650℃，蒸汽发生器6的工质送入温度为270℃；换热后，沙子的温度降为290℃，蒸汽发生器6的工质送出温度可达565℃。放热后的沙子重新回到储热冷罐51，再次被加热，完成换热循环。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统，包括凸面镜(1)、定日镜(10)和储热系统，其特征在于：

所述储热系统内盛纳作为储热介质的沙子，储热系统分为上部的储热冷罐(51)和下部的储热热罐(52)两部分，储热冷罐(51)下端出口处设置可调节开度的开关(9)；储热冷罐(51)与储热热罐(52)之间通过两根安装有吸沙泵(7)的管道(4)连接，其中一根管道(4)上安装有蒸汽发生器(6)；

所述凸面镜(1)设置于储热系统的上方，凸面镜(1)的凸面朝向储热系统；定日镜(10)将太阳光反射到凸面镜(1)的凸面上，再由凸面镜(1)将反射的太阳光聚焦到储热介质上；

所述储热冷罐(51)和储热热罐(52)组成沙漏的形式，所述凸面镜(1)、储热冷罐(51)、储热热罐(52)在竖直方向上同轴心排列；

所述储热冷罐(51)为方形容器，其内部设置有倒置的圆锥槽；所述圆锥槽的锥角略大于凸面镜(1)的聚焦角，且所述圆锥槽的圆锥面沿锥角向上延伸与凸面镜(1)的凸面相交；

所述储热热罐(52)内靠近储热热罐入口的位置设置由柱体和圆盘组成的托台(8)；柱体与储热热罐(52)底部相连接以支撑圆盘，且柱体与储热冷罐(51)内圆锥面同轴心，所述圆盘的边缘与储热热罐(52)壳体间留有缝隙，以保证沙子顺利由圆盘上掉落；所述凸面镜(1)反射的太阳光聚焦到托台(8)上；

所述储热冷罐(51)和储热热罐(52)左右两侧分别在靠近上、下边缘的中心位置开有圆孔，用来安装管道(4)。

2.根据权利要求1所述的基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统，其特征在于：所述蒸汽发生器(6)内的换热介质为水、蒸气或导热油。

3.根据权利要求1所述的基于二次反射镜的太阳能集热和储热系统，其特征在于：所述管道(4)、储热冷罐(51)、储热热罐(52)均采用耐热性能高于800℃的材料，管道(4)、储热冷罐(51)、储热热罐(52)内壁均涂覆或铺设耐热性能高于800℃的保温材料。

4.一种基于权利要求1所述的二次反射镜的太阳能集热和储热系统的方法，其特征在于：

二次反射光聚焦到托台(8)上；

当储热冷罐(51)中的沙子掉落到储热热罐(52)内的托台(8)上时被聚焦太阳光加热，随着储热冷罐(51)中沙子的掉落，托台(8)上的沙子掉入储热热罐(52)中；通过开关(9)调节沙子的流速；

开启不带蒸汽发生器(6)的管道(4)上的吸沙泵(7)，将储热热罐(52)内的沙子返回到储热冷罐(51)中，如此反复；

当沙子的温度上升到所需温度时，开启带蒸汽发生器(6)的管道(4)上的吸沙泵(7)，使沙子放热，以加热蒸汽发生器(6)内的循环工质，放热完成后重新输入到储热冷罐(51)中。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述沙子放热的温度为600℃以上。