CN105135716B - 带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器 - Google Patents
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Abstract
一种带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，由石英吸热管(5)、固体颗粒(4)、内插件(3)和内插件固定装置(1)组成。石英吸热管(5)的上方有固体颗粒入口(2)，石英吸热管(5)的底部开有固体颗粒出口(6)；内插件固定装置(1)位于石英吸热管(5)的正上方，内插件(3)通过刚性连接或柔性悬挂连接的方式与内插件固定装置(1)连接，固定与石英吸热管(5)内部；工作时固体颗粒(4)在石英吸热管(5)内部自由下落。本发明可以延长固体颗粒(4)在石英吸热管(5)内停留时间，进而获得高温的固体颗粒(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种塔式太阳能热发电用固体颗粒吸热器。
背景技术
由于石油、天然气等化石能源的日益枯竭、价格飞涨，传统热力发电逐步丧失其原有的地位；而随着核电技术的发展，也出现了近年来诸如福岛等地的核泄露事件，不仅妨害了我们的用电安全性，也威胁了我们的生命财产安全。在这种情况下，太阳能热发电技术无疑是较为安全、可靠、节能、环保的一种发电方式。
吸热器是太阳能热发电中实现光热转化的关键部件，吸热器的热性能将直接影响到太阳能集热系统的热效率，从而影响到太阳能热发电站的发电量。设计吸热器的一个关键目标是尽可能提高吸热器内传热流体的温度。以流动的固体颗粒为吸热体的粒子式吸热器近十年来得到了广泛关注。美国专利US4777934公布了采用带有粒子以压缩空气为传热流体的吸热器，其温度可被加热至700℃，但该吸热器无法应用到更高的温度，而且该吸热器的过程热量损失较大。美国专利US4499893公布的固体颗粒吸热器的最高工作温度为800℃，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US3908632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400-750℃，但吸热器结构复杂，热效率不高。中国专利CN102135334A公布了基于石英管束的固体颗粒空气吸热器，由于采用石英管内固体颗粒流化吸热的结构，吸热过程中控制难度较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有下落式固体颗粒吸热器中固体颗粒出口温度不高的缺点，提出一种带有内插件的管式太阳能固体颗粒吸热器。本发明可以维持太阳能热发电站中吸热器固体颗粒温度的稳定性，同时被加热的固体颗粒在系统中可以作为一个热能存储的单元进行储热。
本发明采用石英玻璃作为石英吸热管材料，使用固体颗粒作为吸热体，使用耐高温石英玻璃制作内插件，利用石英玻璃的耐高温和高透过率特性实现透光，利用固体颗粒的耐高温和高辐射吸收率实现高效吸热，通过内插件延缓固体颗粒在石英吸热管内吸热段的吸热时间，以提高出口处固体颗粒的出口温度。固体颗粒在石英吸热管内保持运动，固体颗粒之间充分换热，避免了固体颗粒吸热器内部区域粒子群的过热，也有效消除了容积式吸热器内吸热体材料局部“热斑”的影响，提高吸热器运行的安全性和可靠性，也同时延长了使用寿命。
本发明可根据使用要求建造较大容量的固体颗粒吸热器，可用于常压和高压系统。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、石墨等固体颗粒的导热系数在1200℃时大于10W/(m K)，而且具有很高的辐射吸收率，通过设计粒子的形状和大小，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吸热体间可获得较高的传热效率。
本发明为一种带内插件的管式太阳能吸热器，以流动的固体颗粒作为吸热介质和储热材料，以固体颗粒作为传热流体。所述的吸热器由石英吸热管、内插件、固体颗粒和内插件的固定装置组成。石英吸热管的上方开有固体颗粒的入口，石英吸热管的下方开有固体颗粒的出口。内插件固定装置位于石英吸热管的垂直正上方，内插件通过刚性连接或柔性悬挂连接的方式与内插件固定装置连接，内插件固定装置将内插件固定于吸热管内部。固体颗粒装载在石英吸热管内部。所述的内插件为螺旋旋转插件、螺旋台阶插件或粒子节流插件等形式。固体颗粒从石英吸热管上端受到重力的作用自然下落，由于内插件的存在延长了固体颗粒在石英吸热管内部停留的时间，从而达到延长固体颗粒加热时间的目的，获得更高温度的出口固体颗粒。
本发明的工作过程如下：
经聚光设备收集的聚光辐射能流投射至透明石英吸热管外表面，一部分辐射能流被石英吸热管的表面反射，一部分聚光辐射能流被透明石英吸热管吸收，一部分聚光辐射能流透过透明石英投射至石英吸热管内部，这部分投射的聚光辐射能流被石英吸热管内部的内插件和固体颗粒所吸收。
吸热器工作时，固体颗粒自上向下下落，在石英吸热管内部由于重力的作用向下自然下落，由于内插件的存在，固体颗粒和内插件之间充分换热，同时固体颗粒与石英吸热管内壁面之间也会有较强的碰撞而进行热量交换，有利于石英吸热管内部颗粒温度的均衡。而固体颗粒尺寸较小，因此多个固体颗粒之间、固体颗粒与内插件以及固体颗粒与石英吸热管内壁面之间的传热面积较大，传热效率较高。选择固体颗粒直径在0.01-10mm之间，减少粒子直径可以增加固体颗粒的比表面积，可以提高固体颗粒的传热效率，同时提升固体颗粒的温度。固体颗粒在石英吸热管内部不停流动，对石英吸热管有一定的冷却作用，可以提升石英吸热管在使用过程中运行的可靠性和安全性。
受热的固体颗粒自石英吸热管底端的固体颗粒出口处离开石英吸热管，进入换热器中与传热流体进行换热。换热器位于石英吸热管出口处，其作用是将被加热的固体颗粒与传热工质进行换热，从而得到被加热的传热工质。换热结束后被冷却的固体颗粒通过粒子传送机构运送至石英吸热管顶端的固体颗粒入口处，其中粒子传送机构位于换热器的出口和固体颗粒入口之间，使固体颗粒可以流回至位于石英吸热管顶端的固体颗粒入口处，并重复以上步骤对固体颗粒反复利用。
本发明结构简单，可按照需求设计固体颗粒的直径大小，同时可以调整内插件的结构，可以实现投入聚光辐射能流的高效吸收，并可以实现加热粒子温度的最大化。
附图说明
图1本发明实施例1带螺旋旋转插件的管式固体颗粒吸热器结构示意图；
图2本发明带螺旋旋转插件的管式固体颗粒吸热器螺旋旋转插件示意图；
图3本发明实施例2带螺旋台阶插件的管式固体颗粒吸热器结构示意图；
图4本发明带螺旋台阶插件的管式固体颗粒吸热器螺旋台阶插件示意图；
图5本发明实施例3带粒子节流插件的管式固体颗粒吸热器结构示意图；
图6本发明带粒子节流插件的管式固体颗粒吸热器的粒子节流插件示意图；
图7本发明带有内插件的管式固体颗粒吸热器工作原理示意图。
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所示为本发明实施例1带螺旋旋转内插件的管式固体颗粒吸热器。该吸热器由内插件固定结构1、螺旋旋转内插件3、固体颗粒4和石英吸热管5组成。石英吸热管5的上方开有固体颗粒入口2，石英吸热管5的下方开有固体颗粒出口6。内插件固定结构1位于石英吸热管5的垂直正上方，螺旋旋转内插件3通过刚性或柔性悬挂连接的方式与内插件固定结构1连接，其作用是将螺旋旋转内插件3固定于石英吸热管5的内部。工作时固体颗粒4在石英吸热管5内部受螺旋旋转内插件3的影响自由下落。石英吸热管5由耐高温的石英玻璃制成，其一侧接受聚光辐射能流7。螺旋旋转内插件3由石英玻璃制成，是固体颗粒4下落的轨道。固体颗粒4从固体颗粒入口2流入，从固体颗粒出口6流出，在石英吸热管5内部沿螺旋旋转内插件3向下运动。固体颗粒4和石英吸热管5直径的选择由太阳能聚光辐射能流7决定，其原则是使进入石英吸热管5的聚光辐射能流7尽可能多的被固体颗粒4吸收。受热的固体颗粒4自石英吸热管5底端的固体颗粒出口6处离开石英吸热管，进入换热器8中与传热流体进行换热。换热器8位于石英吸热管出口6处，其作用是将被加热的固体颗粒4与传热工质进行换热，从而得到被加热的传热工质。换热结束后被冷却的固体颗粒4通过粒子传送机构9运送至石英吸热管顶端的固体颗粒入口2处，其中粒子传送机构9位于换热器8的出口和固体颗粒入口2之间，使固体颗粒4可以流回至位于石英吸热管5顶端的固体颗粒入口2处，以便对固体颗粒4反复利用。未工作时石英吸热管5的固体颗粒6保持关闭状态，固体颗粒4静止地处于石英吸热管5中。固体颗粒5具有较高的辐射吸收率，可在1200℃以上温度长期使用工作，固体颗粒5为球形、椭球形或其他形状，其大小可以相同也可以不同，材料可以是碳化硅陶瓷、石墨或氮化硅陶瓷等。内插件固定结构1的主要作用是固定螺旋旋转内插件3。
图2所示为螺旋旋转内插件3的结构。螺旋旋转内插件3的表面形状为螺旋曲面，该螺旋曲面为由一条线段围绕与其垂直的轴线旋转，同时沿着轴向方向平移形成。该螺旋曲面的表面为光滑表面或粗糙表面，其表面上可以有减缓粒子运动的凸起或凹陷结构。螺旋旋转内插件3由耐高温石英玻璃制成。其中，两层螺旋旋转面之间的距离要大于固体颗粒4直径。冷的固体颗粒4从固体颗粒入口2进入石英吸热管5中，当固体颗粒4运动至石英吸热管5向光侧时，固体颗粒4吸收聚光辐射能流7的辐射；当固体颗粒4运动至石英吸热管5背光侧时，固体颗粒4可以通过与螺旋旋转内插件3之间的热传导进行换热，也可吸收透过石英吸热管5和螺旋旋转内插件3的聚光辐射能流7。被加热的固体颗粒4从固体颗粒出口6处离开石英吸热管5。
图3所示为本发明实施例2带螺旋台阶插件的管式固体颗粒吸热器。该吸热器由内插件固定结构1、螺旋台阶、插件3、固体颗粒4和石英吸热管5组成。石英吸热管5的上方开有固体颗粒入口2，石英吸热管5的下方开有固体颗粒出口6。内插件固定结构1位于石英吸热管5的垂直正上方，螺旋台阶插件3通过刚性或柔性悬挂连接的方式与内插件固定结构1连接，其作用是将螺旋台阶插件3固定于石英吸热管5的内部。石英吸热管5由耐高温的石英玻璃制成，其一侧接受聚光辐射能流7。螺旋旋转台阶插件3由石英玻璃制成，是固体颗粒4下落的轨道。固体颗粒从固体颗粒入口2流入，从固体颗粒出口6流出，在石英吸热管内部沿螺旋台阶插件3向下运动。固体颗粒4和石英吸热管5直径的尺寸由太阳能聚光辐射能流7决定，其原则是使进入石英吸热管5的聚光辐射能流7尽可能多的被固体颗粒5吸收。受热的固体颗粒4自石英吸热管5底端的固体颗粒出口6处离开石英吸热管，进入换热器8中与传热流体进行换热。换热器8位于石英吸热管出口6处，其作用是将被加热的固体颗粒4与传热工质进行换热，从而得到被加热的传热工质。换热结束后被冷却的固体颗粒4通过粒子传送机构9运送至石英吸热管顶端的固体颗粒入口2处，其中粒子传送机构9位于换热器8的出口和固体颗粒入口2之间，使固体颗粒4可以流回至位于石英吸热管5顶端的固体颗粒入口2处，以便对固体颗粒4反复利用。未工作时石英吸热管的固体颗粒出口6保持关闭，固体颗粒4静止地处于石英吸热管5中。固体颗粒4具有较高的辐射吸收率，可在1200℃以上温度长期使用工作，固体颗粒4为球形、椭球形或其他形状，其大小可以相同也可以不同，材料可以是碳化硅陶瓷、石墨或氮化硅陶瓷等。内插件固定结构1的主要作用是固定螺旋台阶插件3。
图4所示为螺旋台阶插件3的结构。螺旋台阶内插件3的形状为将螺旋旋转阶梯结构，螺旋台阶插件3的表面为光滑表面或粗糙表面，其表面上可以有减缓粒子运动的凸起或凹陷结构，螺旋台阶插件3的阶梯面可以为水平面或略向下倾斜的表面。螺旋台阶插件3由耐高温石英玻璃制成，其中，两层螺旋旋转阶梯结构之间的距离要大于固体颗粒4的直径。冷的固体颗粒4从固体颗粒入口2进入石英吸热管5中，当固体颗粒4运动至石英吸热管5向光侧时，固体颗粒4吸收聚光辐射能流7的辐射；当固体颗粒4运动至石英吸热管5背光侧时，固体颗粒4可以通过与螺旋台阶插件3之间的热传导进行换热，也可吸收透过石英吸热管5和螺旋台阶插件3的聚光辐射能流7。被加热的固体颗粒4从固体颗粒出口6处离开石英吸热管5。
图5所示为本发明实施例3带粒子节流插件的管式固体颗粒吸热器。该吸热器由内插件固定装置1、粒子节流插件3和石英吸热管5组成。石英吸热管5的上方开有固体颗粒入口2，石英吸热管5的下方开有固体颗粒出口6。内插件固定结构1位于石英吸热管5的垂直正上方，粒子节流插件3通过刚性或柔性悬挂连接的方式与内插件固定结构1连接，其作用是将螺旋旋转内插件3固定于石英吸热管5的内部。石英吸热管5由耐高温的石英玻璃制成，其一侧接受聚光辐射能流7的辐射。粒子节流插件3由耐高温石英玻璃制成，上端有小孔10使固体颗粒在孔中下落，小孔10的孔应大于固体颗粒5的直径，小孔10的形状可以为圆形、椭圆形、方形或其他形状。在石英吸热管中可以安装一个或多个粒子节流插件3，多个节流装置之间通过内插件固定装置1刚性或柔性悬挂连接。对于含有多层节流插件2的固体颗粒吸热器，不同层之间节流插件3上小孔10的位置和大小可以相同或不同。固体颗粒4从固体颗粒入口2流入，从固体颗粒出口6流出，在石英吸热管内部经过粒子节流插件2向下运动。固体颗粒4和石英吸热管5直径的尺寸由太阳能聚光辐射能流7决定，其原则是使进入石英吸热管5的聚光辐射能流7尽可能多的被固体颗粒4吸收。受热的固体颗粒4自石英吸热管5底端的固体颗粒出口6处离开石英吸热管，进入换热器8中与传热流体进行换热。换热器8位于石英吸热管出口6处，其作用是将被加热的固体颗粒4与传热工质进行换热，从而得到被加热的传热工质。换热结束后被冷却的固体颗粒4通过粒子传送机构9运送至石英吸热管顶端的固体颗粒入口2处，其中粒子传送机构9位于换热器8的出口和固体颗粒入口2之间，使固体颗粒4可以流回至位于石英吸热管5顶端的固体颗粒入口2处，以便对固体颗粒4反复利用。未工作时石英吸热管的固体颗粒出口6不会开启，固体颗粒4静止地处于石英吸热管5中。固体颗粒4具有较高的辐射吸收率，可在1200℃以上温度长期使用工作，固体颗粒4为球形、椭球形或其他形状，其大小可以相同也可以不同，材料可以是碳化硅陶瓷、石墨或氮化硅陶瓷等。
图6所示为粒子节流插件3的结构。粒子节流插件3为圆形插件，其直径大小与石英吸热管5内径大小相同，粒子节流插件3的表面为光滑表面或粗糙表面，粒子节流插件3可以为平面插件或带有凸起或凹陷的插件。粒子节流插件3由耐高温石英玻璃制成，粒子节流插件3位于石英吸热管内不同高度处，不同高度处的粒子节流插件3之间的距离可以相同或不同。冷的固体颗粒4从固体颗粒入口2进入石英吸热管5中，在石英吸热管5中自由下落，下落至节流插件3处从节流插件3的小孔10处下落。被加热的固体颗粒4从固体颗粒出口6处离开石英吸热管5。
Claims (7)
1.一种带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，其特征在于，所述的太阳能吸热器由内插件固定装置(1)，内插件(3)，固体颗粒(4)和石英吸热管(5)组成；石英吸热管(5)上方有固体颗粒入口(2)，石英吸热管(5)的底部开有固体颗粒出口(6)；内插件固定装置(1)位于石英吸热管(5)的正上方，内插件(3)通过刚性连接或柔性悬挂连接的方式与内插件固定装置(1)连接，固定于石英吸热管(5)内部；工作时固体颗粒(4)在石英吸热管(5)内部自由下落。
2.按照权利要求1所述的带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，其特点在于，所述的内插件(3)为螺旋旋转插件，螺旋台阶插件或者粒子节流插件。
3.按照权利要求2所述的带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，其特点在于，所述的螺旋旋转插件，其表面为螺旋曲面，该曲面由一条线段围绕与其垂直的轴线旋转，同时沿着轴向方向平移形成；该螺旋旋转曲面的表面有减缓固体颗粒运动的凸起或凹陷结构；两层螺旋结构旋转面之间的距离大于固体颗粒(4)直径的大小。
4.按照权利要求2所述的带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，其特征在于，所述的螺旋台阶插件的表面上有减缓粒子运动的凸起或凹陷结构，螺旋台阶插件(3)的阶梯面为水平面或略向下倾斜的表面；两层螺旋旋转阶梯之间的距离大于固体颗粒(4)直径。
5.按照权利要求2所述的带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，其特征在于，所述的粒子节流插件(3)为圆形插件，粒子节流插件(3)的直径与石英吸热管(5)内径相等；粒子节流插件(3)的表面为平面或带有凸起或凹陷，粒子节流插件(3)上带有小孔(10)；小孔(10)的孔径大于固体颗粒(4)的直径；多个粒子节流插件(3)位于石英吸热管(5)内不同高度处。
6.按照权利要求1所述的带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，其特征在于，所述的固体颗粒(4)耐温1200℃以上，直径为0.01-10mm。
7.按照权利要求1所述的带有内插件的管式固体颗粒太阳能吸热器，其特征在于，所述的内插件(3)由石英玻璃制成。
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