CN105423576B - 太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置和过热保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，包括吸热器、热电转换装置、进气系统和控制系统，吸热器包括保温腔体，保温腔体内壁上紧贴有热管集束，热管集束与热电转换装置相连，保温腔体圆周方向均匀设有进气导管和第一集气槽，进气导管的一端伸入保温腔体内部，另一端与第一集气槽密封连接，第一集气槽与进气系统密封连接，控制系统包括控制器、热电偶，热管集束上均匀布设有多个热电偶，热电偶与控制器电连接，控制器与进气系统相连。本装置实时监测金属热管的表面温度，当温度超过金属热管的耐温阈值时，开启进气系统以加强对流损失来降低温度，保证吸热器的安全运行。本发明还公开了一种太阳能光热转换用吸热器的过热保护方法。

Description

太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置和过热保护方法

技术领域

本发明涉及太阳能光热发电技术领域，特别涉及一种太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置和过热保护方法。

背景技术

在太阳能光热发电技术领域，由于太阳光能的辐射资源的能流密度低，不能进行直接的采集利用，往往须将大面积的太阳光能聚集到吸热器的金属热管表面，使金属热管内部流动的换热工质获得热能，并将热能传输给热电转换装置，继而实现将太阳光能转换为电能输出。

太阳能光热发电系统设计时，往往是根据电站拟建地区的年平均或典型日子数的太阳直射辐照度值(简称DNI，单位W/m2)为额度值，来设计光热发电系统功率及其吸热器结构。当电站建成后光热发电系统运行时，总会存在一定时间内的DNI值是大于额度值的，尤其是正午的一定时间段内。由于光热发电系统的功率是一定的，使得吸热器的金属热管内部工质换热带走的热量一定且有限，过高的太阳聚集能流密度将可能导致金属热管发生烧蚀或融化等事故，直接影响着光热发电系统的运行安全性。此外，当聚光器的存在安装误差或跟踪误差时，也容易引起金属热管表面形成高热流区域，并发生过热现象。然而，在金属热管出现过热的情况下直接进行避险停机或切断光能输入，将会影响到电站的年发电总量，直接影响电站的经济性能，尤其是在正午的高日照情况下由于聚光能流过高而出现的避险停机，这是非常不应该的。因为此时的太阳光照资源非常丰厚，处理好过热情况后能够进行满负荷的发电运行，价值很可观。

当前，现有的吸热器过热保护装置通常是直接切断太阳光能的输入，而使得光热发电系统处于停机状态，并没有实现在高日照工况下的正常发电运行。现有技术1(CN102758702 A)中公开了一种太阳能斯特林发动机吸热器的保护装置、保护方法，是通过一个可翻转的不透光的罩板来实现吸热器采光口太阳光能的直接切断。现有技术2(CN103604230 A)中公开了一种碟式太阳能热发电系统的保护装置，是通过控制一个遮光组件在导轨上的运动来实现太阳光能的切断与否，同技术1的效果基本一致，均是在过热情况下直接切断光能来源，使光热发电系统处于停机状态。上述的现有技术1和技术2仍无法满足在太阳辐照资源超过设计值或金属热管出现高温区域时的发电运行，不能对正午时超过设计DNI值的高品质太阳光能进行利用，对电站的经济性能是影响显著的。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种够使太阳能光热发电系统在太阳辐照资源超过设计值或金属热管出现过热区域时正常发电运行的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置和过热保护方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，包括吸热器、热电转换装置、进气系统和控制系统，所述吸热器包括一个上部开口的保温腔体，保温腔体内壁上紧贴有若干热管集束，热管集束与吸热器外部的热电转换装置相连，所述保温腔体圆周方向均匀设有若干进气导管和第一集气槽，进气导管的一端伸入保温腔体内部并指向热管集束，进气导管的另一端与第一集气槽密封连接，第一集气槽与进气系统密封连接，所述控制系统包括控制器、热电偶，所述热管集束上均匀布设有多个热电偶，热电偶与控制器电连接，所述控制器与进气系统相连，所述控制器接收热电偶实时测量的温度数据，并将接收到的温度数据与设定的阈值进行对比，并发出相应的控制信号至进气系统，控制进气系统的启动、断开和流量调节。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置中，所述进气系统包括气泵、过滤器、第一截止阀、储气室和第一节流阀，所述气泵、过滤器、第一截止阀、储气室、第一节流阀、第一集气槽采用金属软管依次密封连接，所述控制器分别与气泵、第一截止阀、第一节流阀电连接。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置中，所述第一节流阀与第一集气槽之间设有用于防止吸热器保温腔体内部高温气体回流的单向阀。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置中，所述保温腔体上盖有石英盖板，石英盖板上设有压板，用螺钉将压板和石英盖板固定在保温腔体上，所述保温腔体上端的圆周方向上均匀设有若干出气导管和第二集气槽，出气导管的一端伸入保温腔体内部并靠近石英盖板，出气导管的另一端与第二集气槽密封连接，第二集气槽向外排出气体。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置还包括排气系统，排气系统包括第二截止阀、第二节流阀和换热器，所述换热器、第二节流阀、第二截止阀、第二集气槽采用金属软管依次密封连接，第二节流阀、第二截止阀分别与控制器电连接，所述控制系统还包括压力传感器，压力传感器安装在保温腔体内部并与控制器电连接。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置中，所述换热器为箱体结构，箱体内设有蛇形铜管，蛇形铜管的一端与第二节流阀相连，蛇形铜管的另一端作为换热器的气体出口，箱体上设有冷水进口和热水出口。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置中，所述单向阀和第二截止阀均靠近吸热器设置，所述吸热器外包裹有保温岩棉，且第一集气槽、第二集气槽、单向阀和第二截止阀均被保温岩棉包裹。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置中，所述压力传感器与控制器之间设有压力表，所述热电偶与控制器之间设有温度表。

上述太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置中，所述热管集束由多个金属热管通过总汇端口连通构成，所述热电偶均匀固定在金属热管表面。

一种太阳能光热转换用吸热器的过热保护方法，包括以下步骤：

1)设定金属热管的过热温度阈值T以及吸热器腔内的空气压力阈值P；

2)热电偶实时采集金属热管的表面温度并将温度信号送入控制器，压力传感器实时采集吸热器保温腔体内的压力并将压力信号送入控制器；

3)控制器判断温度测量值是否达到预设阈值T，若是，则控制器判别发生过热的金属热管所在区域，并发出相应控制信号至第一截止阀、气泵和第一节流阀，打开第一截止阀之后启动气泵，并根据实时测量的温度值来调节第一节流阀，通过调节第一集气槽中的空气流量来控制金属热管的相应过热区域的温度；同时控制器判断压力测量值是否达到预设阈值P，若是，则控制器发出相应控制信号至第二截止阀和第二节流阀，开启第二截止阀，并根据实时测量的压力值来调节第二节流阀，通过调节热空气的排出流量来控制吸热器保温腔体内的压力。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的过热保护装置通过热电偶能够实时监测金属热管的表面温度，当温度超过金属热管的耐温阈值时，开启进气系统以加强对流损失来达到降低温度的目的，保证吸热器的安全运行，使光热发电系统在太阳DNI值大于额度值时能有效的发电运行，此外对于安装误差，镜面面型误差以及跟踪误差引起的金属热管区域温度过高的情况，均能够有效地降低温度，而不用将光热发电系统处于停机避险状态，有效地提升了光热发电系统适应外部环境的能力，能适应太阳光照资源超过设定值的正午时间段进行满负荷的发电运行，提高了电站的年发电总量，使得电站的经济价值得以提升。

2、本发明的过热保护装置在吸热器外包裹有保温岩棉，且第一集气槽、第二集气槽、单向阀和第二截止阀均被保温岩棉包裹，减少了吸热器在非过热工况下工作时的热损失。

3、当保温腔体上盖有石英盖板时，本过热保护装置对应设有排气系统，确保了保温腔体内的高温高压气体能及时排出。

4、本发明的过热保护方法采集金属热管的温度和吸热器内的压力，再将采集到的温度值和压力值分别与对应的温度阈值和压力阈值进行对比，根据对比结果控制进气系统和排气系统的启停，整个保护过程简单、智能化程度高，提高了吸热器运行时的安全性。

附图说明

图1为本发明过热保护装置的结构示意图。

图2为图1中吸热器的剖视图。

图3为图1中吸热器的主视图。

图4为图1中吸热器没有石英盖板时的俯视图。

图5为图1中热管集束的结构示意图。

图中：1—压板；2—石英盖板；3—螺钉；4—第一集气槽；5—出气导管；6—热电偶；7—温度表；8—热电转换装置；9—反射锥体；10—吸热器；11—金属热管；12—保温腔体；13—进气导管；14—第二集气槽；15—压力传感器；16—压力表；17—控制器；18—气泵；19—过滤器；20—第一截止阀；21—储气室；22—第一节流阀；23—单向阀；24—第二截止阀；25—第二节流阀；26—换热器；27—进气系统；28—排气系统；29—控制系统；30—活塞热腔；31—总汇端口；32—活塞冷腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的过热保护装置包括吸热器10、热电转换装置8、进气系统27和控制系统29，所述吸热器10包括一个上部开口的保温腔体12，保温腔体12内壁上紧贴有若干热管集束，如图5所示，热管集束由多个金属热管11通过总汇端口31连通构成，金属热管11接收的太阳光能是聚光器采集的光能，聚光器可以是碟式聚光器、塔式聚光器或其他具有聚光功能的装置，热管集束与吸热器10外部的热电转换装置8相连，热电转换装置8采用斯特林发电机组，金属热管11通过总汇端口31分别连接到斯特林发电机组的活塞热腔30和活塞冷腔32，所述保温腔体12圆周方向均匀设有若干进气导管13和第一集气槽14，进气导管13的一端伸入保温腔体12内部并指向热管集束的易产生高热流的区域，金属热管11的高热流区域可以根据设计的聚光器和吸热器10结构采用光线追记方法获得，进气导管13的另一端与第一集气槽14密封连接，图中可以看出，3个进气导管13共用一个第一集气槽14，第一集气槽14与进气系统27密封连接，所述控制系统29包括控制器17、热电偶6和温度表7，所述热管集束的金属热管11表面均匀布设有多个热电偶6，热电偶6通过保温腔体12壁面开设的圆孔引出后经温度表7与控制器17电连接，所述控制器17与进气系统27相连，温度表7将热电偶6实时测量的竖直传输给控制器17，控制器17将接收的测量数据与设定的阈值进行对比，并对进气系统27进行相应控制，对进气系统27的开端和流量进行有效的控制，来实现金属热管11过热区域的有针对性的冷却。

如图1所示，所述进气系统27包括采集室外常温空气的气泵18、用于过滤空气中粉尘和杂质的过滤器19、第一截止阀20、用于保证空气供应充足的储气室21和第一节流阀22，所述控制器17分别与气泵18、第一截止阀20、第一节流阀22电连接，所述气泵18、过滤器19、第一截止阀20、储气室21、第一节流阀22、第一集气槽14采用金属软管依次密封连接，第一节流阀22用于更好地调节不同金属热管11区域的空气流量，达到有针对性的局部区域降温的目的，所述第一节流阀22与第一集气槽14之间设有用于防止吸热器10保温腔体12内部高温气体回流的单向阀23，第一节流阀22与第一集气槽14的连接距离尽量短，减少热损失，第一集气槽14和单向阀23均是耐高温的元件，吸热器10外包裹有保温岩棉，减少吸热器10在非过热工况下工作时的热损失，且第一集气槽14、单向阀23均被保温岩棉包裹。

以上描述都是在保温腔体12上部开口情况下的结构。当保温腔体12上盖有石英盖板2，则过热保护装置还包括排气系统28，控制系统29还包括压力传感器15，压力传感器15安装在保温腔体12内部且靠近端部位置，并通过保温腔体12壁面开设的圆孔引出后经压力表16与控制器17电连接。石英盖板2上设有压板1，用螺钉3将压板1和石英盖板2固定在保温腔体12上，所述保温腔体12上端的圆周方向上均匀设有若干出气导管5和第二集气槽4，出气导管5的一端伸入保温腔体12内部并靠近高透光率的石英盖板2，出气导管5的另一端与第二集气槽4密封连接，图中可以看出，2个出气导管5共用一个第二集气槽4，第二集气槽4向外排出气体。

排气系统28包括第二截止阀24、第二节流阀25和用于热能二次利用的热空气供应或热水供应的换热器26，所述换热器26为箱体结构，箱体内设有用于热空气流动换热的蛇形铜管26-4，蛇形铜管26-4的一端与第二节流阀25相连，蛇形铜管26-4的另一端作为换热器26的气体出口26-3，箱体上设有冷水进口26-1和热水出口26-2，所述换热器26、第二节流阀25、第二截止阀24、第二集气槽4采用金属软管依次密封连接，第二节流阀25、第二截止阀24分别与控制器17电连接，第二截止阀24和第二集气槽4的连接距离尽量短，以减少热损失，且第二集气槽4和第二截止阀24均被保温岩棉包裹。当只需要供应热空气的时候，直接将流通热空气的管路接到总管上，而需要进行供应热水时，将第二节流阀25流出的热空气连接到换热器26的蛇形铜管26-4的一端，并开启换热器26的箱体上的冷水进口26-1和热水出口26-2，通过调节水的流量来获得相应的温度。

一种太阳能光热转换用吸热器10的过热保护方法，包括以下步骤：

1)设定金属热管11的过热温度阈值T以及吸热器10腔内的空气压力阈值P；

2)热电偶6实时采集金属热管11的表面温度并将温度信号送入控制器17，压力传感器15实时采集吸热器10保温腔体12内的压力并将压力信号送入控制器17；

3)控制器17判断温度测量值是否达到预设阈值T，若是，则控制器17判别发生过热的金属热管11所在区域，并发出相应控制信号至第一截止阀20、气泵18和第一节流阀22，打开第一截止阀20之后启动气泵18，并根据实时测量的温度值来调节第一节流阀22，通过调节第一集气槽14中的空气流量来控制金属热管11的相应过热区域的温度；同时控制器17判断压力测量值是否达到预设阈值P，若是，则控制器17发出相应控制信号至第二截止阀24和第二节流阀25，开启第二截止阀24，并根据实时测量的压力值来调节第二节流阀25，通过调节热空气的排出流量来控制吸热器10保温腔体12内的压力。需要注意的是：若吸热器10保温腔体12上没有安装石英盖板2时，仅需以温度阈值T来相应控制第一截止阀20、气泵18、第一节流阀22的动作。

本发明的过热保护装置通过热电偶6能够实时监测金属热管11的表面温度，当温度超过金属热管11的耐温阈值时，开启进气系统27以加强对流损失来达到降低温度的目的，保证吸热器10的安全运行，使光热发电系统在太阳DNI值大于额度值时能有效的发电运行，此外对于安装误差，镜面面型误差以及跟踪误差引起的金属热管11区域温度过高的情况，均能够有效地降低温度，而不用将光热发电系统处于停机避险状态，有效地提升了光热发电系统适应外部环境的能力，能适应太阳光照资源超过设定值的正午时间段进行满负荷的发电运行，提高了电站的年发电总量，使得电站的经济价值得以提升。

Claims (10)

1.一种太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：包括吸热器、热电转换装置、进气系统和控制系统，所述吸热器包括一个上部开口的保温腔体，保温腔体内壁上紧贴有若干热管集束，热管集束与吸热器外部的热电转换装置相连，所述保温腔体圆周方向均匀设有若干进气导管和第一集气槽，进气导管的一端伸入保温腔体内部并指向热管集束，进气导管的另一端与第一集气槽密封连接，第一集气槽与进气系统密封连接，所述控制系统包括控制器、热电偶，所述热管集束上均匀布设有多个热电偶，热电偶与控制器电连接，所述控制器与进气系统相连，所述控制器接收热电偶实时测量的温度数据，并将接收到的温度数据与设定的阈值进行对比，并发出相应的控制信号至进气系统，控制进气系统的启动、断开和流量调节。

2.根据权利要求1所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：所述进气系统包括气泵、过滤器、第一截止阀、储气室和第一节流阀，所述气泵、过滤器、第一截止阀、储气室、第一节流阀、第一集气槽采用金属软管依次密封连接，所述控制器分别与气泵、第一截止阀、第一节流阀电连接。

3.根据权利要求2所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：所述第一节流阀与第一集气槽之间设有用于防止吸热器保温腔体内部高温气体回流的单向阀。

4.根据权利要求3所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：所述保温腔体上盖有石英盖板，石英盖板上设有压板，用螺钉将压板和石英盖板固定在保温腔体上，所述保温腔体上端的圆周方向上均匀设有若干出气导管和第二集气槽，出气导管的一端伸入保温腔体内部并靠近石英盖板，出气导管的另一端与第二集气槽密封连接，第二集气槽向外排出气体。

5.根据权利要求4所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：还包括排气系统，排气系统包括第二截止阀、第二节流阀和换热器，所述换热器、第二节流阀、第二截止阀、第二集气槽采用金属软管依次密封连接，第二节流阀、第二截止阀分别与控制器电连接，所述控制系统还包括压力传感器，压力传感器安装在保温腔体内部并与控制器电连接。

6.根据权利要求5所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：所述换热器为箱体结构，箱体内设有蛇形铜管，蛇形铜管的一端与第二节流阀相连，蛇形铜管的另一端作为换热器的气体出口，箱体上设有冷水进口和热水出口。

7.根据权利要求5所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：所述单向阀和第二截止阀均靠近吸热器设置，所述吸热器外包裹有保温岩棉，且第一集气槽、第二集气槽、单向阀和第二截止阀均被保温岩棉包裹。

8.根据权利要求5所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：所述压力传感器与控制器之间设有压力表，所述热电偶与控制器之间设有温度表。

9.根据权利要求1所述的太阳能光热转换用吸热器的过热保护装置，其特征在于：所述热管集束由多个金属热管通过总汇端口连通构成，所述热电偶均匀固定在金属热管表面。

10.一种太阳能光热转换用吸热器的过热保护方法，包括以下步骤：

1）设定金属热管的过热温度阈值T以及吸热器腔内的空气压力阈值P；

2）热电偶实时采集金属热管的表面温度并将温度信号送入控制器，压力传感器实时采集吸热器保温腔体内的压力并将压力信号送入控制器；

3）控制器判断温度测量值是否达到预设阈值T，若是，则控制器判别发生过热的金属热管所在区域，并发出相应控制信号至第一截止阀、气泵和第一节流阀，打开第一截止阀之后启动气泵，并根据实时测量的温度值来调节第一节流阀，通过调节第一集气槽中的空气流量来控制金属热管的相应过热区域的温度；同时控制器判断压力测量值是否达到预设阈值P，若是，则控制器发出相应控制信号至第二截止阀和第二节流阀，开启第二截止阀，并根据实时测量的压力值来调节第二节流阀，通过调节热空气的排出流量来控制吸热器保温腔体内的压力。