CN106052159A - 一种气固两相换热储热型太阳能集热系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气固两相换热储热型太阳能集热系统及方法，包括风机、主送风道阀、主送风道、颗粒给料机、聚光吸热腔、主热风道、主热风道阀、送风旁路管道、送风旁路阀、分离蓄热器、分离蓄热器出口阀、热风连接管、热风旁路阀、热风旁路连接管、主换热器；分离蓄热器包括热风进口、换热管束、风门、换热管束进口连接管、蓄热颗粒填充床、旋风分离器、热风出口、换热管束出口连接管、围护结构、颗粒卸料口。本发明利用气固两相换热实现吸热腔不同辐照功率条件下的换热平衡，并通过气固分离实现多余能量的储存，系统结构相对紧凑简单，具有广泛的应用价值。

Description

一种气固两相换热储热型太阳能集热系统及方法
技术领域
本发明涉及太阳能及蓄热技术，尤其设计一种气固两相换热储热型太阳能集热系统及方法。
背景技术
太阳能作为地球上储量最丰富的可再生能源，其高效、经济利用一直是人类能源可持续发展的战略选择之一。
光热太阳能发电技术是太阳能高效利用的主流技术之一，目前主要包括槽式、塔式、碟式和菲涅耳聚光四种技术。与光伏太阳能技术相比，光热太阳能技术通过储能技术的结合可以实现连续稳定的供能(发电)，因此一直受到青睐和关注。现有的储热型太阳能集热系统主要采用加热-蓄热-加热的二次换热方式。例如，对于塔式、槽式、菲涅耳系统而言，通常是将熔盐(导热油)直接输送到吸热腔(集热管)加热后再流入蓄热罐储存，在通过蓄热罐与交换器之间的热交换产生蒸汽最终满足发电所需要的功率，这种方式的难点在于在夜间等太阳辐照低的工况下需要维持管道内的熔盐和导热油的温度，以保证流体状态防止管道堵塞；而且二次加热的形式也导致换热系统比较复杂。
因此，如何实现光热系统的蓄热与换热系统的高效化和结构的简单化一直是光热发电系统优化发展的重点之一。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提出一种气固两相换热储热型太阳能集热系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种气固两相换热储热型太阳能集热系统，包括风机、主送风道阀、主送风道、颗粒给料机、聚光吸热腔、主热风道、主热风道阀、送风旁路管道、送风旁路阀、分离蓄热器、分离蓄热器出口阀、热风连接管、热风旁路阀、热风旁路连接管、主换热器；分离蓄热器包括热风进口、换热管束、风门、换热管束进口连接管、蓄热颗粒填充床、旋风分离器、热风出口、换热管束出口连接管、围护结构和颗粒卸料口。风机经主送风道与聚光吸热腔相连，主热风道的进出口分别与聚光吸热腔出口和分离蓄热器的热风进口相连，热风连接管的进出口分别与分离蓄热器的热风出口和主换热器相连构成主换热通路；主送风道上安装有主送风道阀，聚光吸热腔的顶端与颗粒给料机相连，主热风道的末端安装有主热风道阀，分离蓄热器的出口安装有分离蓄热器出口阀；送风旁路管道的两端分别与主热风道和分离蓄热器的换热管束进口连接管相连，热风旁路连接管的进出口分别与分离蓄热器的换热管束出口连接管和热风连接管相连构成蓄热换热通路；送风旁路管道的末端安装有送风旁路阀，热风旁路连接管的末端安装有热风旁路阀。
分离蓄热器的主体蓄热颗粒填充床，蓄热颗粒填充床依次设有旋风分离器和热风出口，热风进口经蓄热颗粒填充床与旋风分离器和热风出口相通；蓄热颗粒填充床的外围由围护结构支撑，蓄热颗粒填充床的内部布置有换热管束，换热管束的两端分别与换热管束进口连接管和换热管束出口连接管相连，换热管束进口连接管和换热管束出口连接管上分别设有风门；分离蓄热器底部设有颗粒卸料口。
所述的颗粒给料机和蓄热颗粒填充床内的颗粒为石墨、碳化硅或金属粉末，其粒径范围为20～200微米。
一种利用所述系统的气固两相换热储热型太阳能集热换热方法，当太阳光辐照净加热功率大于主换热器需求功率时，主送风道阀、主热风道阀和分离蓄热器出口阀开启，其他阀门关闭，风机经主送风道将冷风送入聚光吸热腔内与颗粒给料机投入的蓄热颗粒混合后，被聚焦太阳光加热升温后，经主热风道进入分离蓄热器，气固两相流体通过分离蓄热器的旋风分离器实现气体与颗粒的分离，热风气体经热风出口流入热风连接管流入主换热器实现最终的热交换，颗粒则落入蓄热颗粒填充床逐渐将换热管束之间的间隙填充覆盖形成蓄热堆，实现对多余热能的存储；此时，当辐照出现波动时，则通过控制颗粒给料机中蓄热颗粒的流量，调节蓄热量实现进而保证进入主换热器的热风的温度和流量；当太阳能辐照净加热功率小于主换热器需求功率时，关闭颗粒给料机，吸热腔仅加热空气达到设计温度后经分离蓄热器和热风连接管流入主换热器实现最终的热交换；当太阳能辐照净加热功率小于主换热器需求功率时，空气经聚光吸热腔加热后已无法达到设计的温度参数要求，颗粒给料机不再投放蓄热颗粒，同时开启送风旁路阀和热风旁路阀，关闭调节主热风道阀和分离蓄热器出口阀并调节风门的开度，使得经聚光吸热腔加热的热风在蓄热颗粒填充床(20)内被进一步升温后，再经旁路和热风连接管流入主换热器实现热交换。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明的吸热腔采用一种气固两相换热方式，通过调节颗粒浓度改变换热系数方法实现不同辐照条件下的集热器腔内的换热平衡的调节优化。
(2)本发明通过气固分离的方法实现了对富余太阳能量的换热和储存，通过旁路系统实现了能量辐照不足条件下的供能调节，系统更加紧凑简单。
附图说明
图1是气固两相换热储热型太阳能集热系统示意图；
图2是分离蓄热器结构简图；
图中：风机1、主送风道阀2、主送风道3、颗粒给料机4、聚光吸热腔5、主热风道6、主热风道阀7、送风旁路管道8、送风旁路阀9、分离蓄热器10、分离蓄热器出口阀11、热风连接管12、热风旁路阀13、热风旁路连接管14、主换热器15、热风进口16、换热管束17、风门18、换热管束进口连接管19、蓄热颗粒填充床20、旋风分离器21、热风出口22、换热管束出口连接管23、围护结构24和颗粒卸料口25。
具体实施方式
如图1-2所示一种气固两相换热储热型太阳能集热系统，包括风机1、主送风道阀2、主送风道3、颗粒给料机4、聚光吸热腔5、主热风道6、主热风道阀7、送风旁路管道8、送风旁路阀9、分离蓄热器10、分离蓄热器出口阀11、热风连接管12、热风旁路阀13、热风旁路连接管14、主换热器15；分离蓄热器10包括热风进口16、换热管束17、风门18、换热管束进口连接管19、蓄热颗粒填充床20、旋风分离器21、热风出口22、换热管束出口连接管23、围护结构24、颗粒卸料口25。风机1经主送风道3与聚光吸热腔5相连，主热风道6的进出口分别与聚光吸热腔5出口和分离蓄热器10的热风进口16相连，热风连接管12的进出口分别与分离蓄热器10的热风出口22和主换热器15相连构成主换热通路；主送风道3上安装有主送风道阀2，聚光吸热腔5的顶端与颗粒给料机4相连，主热风道6的末端安装有主热风道阀7，分离蓄热器10的出口安装有分离蓄热器出口阀11；送风旁路管道8的两端分别与主热风道6和分离蓄热器10的换热管束进口连接管19相连，热风旁路连接管14的进出口分别与分离蓄热器10的换热管束出口连接管23和热风连接管12相连构成蓄热换热通路；送风旁路管道8的末端安装有送风旁路阀9，热风旁路连接管14的末端安装有热风旁路阀13。
分离蓄热器10的主体蓄热颗粒填充床20，蓄热颗粒填充床20依次设有旋风分离器21和热风出口22，热风进口16经蓄热颗粒填充床20与旋风分离器21和热风出口22相通；蓄热颗粒填充床20的外围由围护结构24支撑，蓄热颗粒填充床20的内部布置有换热管束17，换热管束17的两端分别与换热管束进口连接管19和换热管束出口连接管23相连，换热管束进口连接管19和换热管束出口连接管23上分别设有风门18；分离蓄热器12底部设有颗粒卸料口25。
所述的颗粒给料机4和蓄热颗粒填充床20内的颗粒为石墨、碳化硅、常见金属粉末，其粒径范围为20～200微米。
基于上述装置，一种气固两相换热储热型太阳能集热换热方法，当太阳光辐照净加热功率大于主换热器需求功率时，主送风道阀2、主热风道阀7和分离蓄热器出口阀11开启，其他阀门关闭，风机1经主送风道3将冷风送入聚光吸热腔5内与颗粒给料机4投入的蓄热颗粒混合后，被聚焦太阳光加热升温后，经主热风道6进入分离蓄热器10，气固两相流体通过分离蓄热器10的旋风分离器21实现气体与颗粒的分离，热风气体经热风出口22流入热风连接管12流入主换热器15实现最终的热交换，颗粒则落入蓄热颗粒填充床20逐渐将换热管束17之间的间隙填充覆盖形成蓄热堆，实现对多余热能的存储；此时，当辐照出现波动时，则通过控制颗粒给料机4中蓄热颗粒的流量，调节蓄热量实现进而保证进入主换热器15的热风的温度和流量；当太阳能辐照净加热功率小于主换热器需求功率时，关闭颗粒给料机4，吸热腔5仅加热空气达到设计温度后经分离蓄热器10和热风连接管12流入主换热器15实现最终的热交换；当太阳能辐照净加热功率小于主换热器需求功率时，空气经聚光吸热腔5加热后已无法达到设计的温度参数要求，颗粒给料机4不再投放蓄热颗粒，同时开启送风旁路阀9和热风旁路阀13，关闭调节主热风道阀7和分离蓄热器出口阀11并调节风门18的开度，使得经聚光吸热腔5加热的热风在蓄热颗粒填充床20内被进一步升温后，再经旁路和热风连接管12流入主换热器15实现热交换。
本发明的具体工作过程如下：
系统开始工作时，根据主换热器的换热功率获得空气流量，通过调节风机和主送风道阀达到所需流量需求，再根据辐照强度与换热器功率之间的平衡，控制颗粒给料机的流量。当吸热腔的吸热量大于主换热器的换热功率需求时，主送风道阀、主热风道阀和分离蓄热器出口阀开启，其他阀门关闭，风机经主送风道将冷风送入聚光吸热腔内与颗粒给料机投入的蓄热颗粒混合后，由于颗粒的加热，强化了吸热腔与流体之间的换热系数，进而保证了总换热量增加，出口温度不会降低，气固两相流体在吸热腔内加热后，经主热风道进入分离蓄热器，气固两相流体通过分离蓄热器的旋风分离器实现气体与颗粒的分离，热风气体经热风出口流入热风连接管流入主换热器实现最终的热交换，颗粒则落入蓄热颗粒填充床逐渐将换热管束之间的间隙填充覆盖形成蓄热堆，实现对多余热能的存储。当辐照强度降低时，吸热腔的吸热功率降低，此时调节颗粒给料机的流量，使得吸热腔内两相流的固体颗粒浓度降低，换热系数也降低，进而总换热功率降低，吸热与换热之间保持平衡，出口温度基本不变，气体流量也不变，从而通过减小蓄热量，保证空气流量，进而保证准换热器的换热功率不变。当吸热腔功率与主换热器的换热功率相同时，此时颗粒给料机投放颗粒为零，仅由气体换热达到吸热腔吸热与换热的平衡，此时出口空气温度为设计温度。当辐照继续下降，吸热腔吸热功率低于主换热器的功率，颗粒给料机不投料，吸热腔出口温度达不到设计温度，此时，同时开启送风旁路阀和热风旁路阀，关闭调节主热风道阀和分离蓄热器出口阀并调节风门的开度，使得经聚光吸热腔加热的热风在蓄热颗粒填充床内被进一步升温后，再经旁路和热风连接管流入主换热器实现热交换，最终实现了对富余太阳能量的储存和利用，保证了主换热器功率的稳定。当主换热器功率发生变化时，则风机的流量跟随调节，同时通过调节颗粒给料机的流量，调节气固流量比例实现换热的平衡。随着蓄热的进行，蓄热颗粒温度降低到设定值后，经颗粒卸料口排出。
与现有蓄热式太阳能系统相比，本发明能够很好的利用气固两相换热实现吸热腔不同辐照功率条件下的换热平衡，并通过气固分离实现多余能量的储存，系统结构相对紧凑简单，具有广泛的应用价值。

Claims (3)

1.一种气固两相换热储热型太阳能集热系统，其特征在于包括风机(1)、主送风道阀(2)、主送风道(3)、颗粒给料机(4)、聚光吸热腔(5)、主热风道(6)、主热风道阀(7)、送风旁路管道(8)、送风旁路阀(9)、分离蓄热器(10)、分离蓄热器出口阀(11)、热风连接管(12)、热风旁路阀(13)、热风旁路连接管(14)和主换热器(15)；分离蓄热器(10)包括热风进口(16)、换热管束(17)、风门(18)、换热管束进口连接管(19)、蓄热颗粒填充床(20)、旋风分离器(21)、热风出口(22)、换热管束出口连接管(23)、围护结构(24)、颗粒卸料口(25)；风机(1)经主送风道(3)与聚光吸热腔(5)相连，主热风道(6)的进出口分别与聚光吸热腔(5)出口和分离蓄热器(10)的热风进口(16)相连，热风连接管(12)的进出口分别与分离蓄热器(10)的热风出口(22)和主换热器(15)相连构成主换热通路；主送风道(3)上安装有主送风道阀(2)，聚光吸热腔(5)的顶端与颗粒给料机(4)相连，主热风道(6)的末端安装有主热风道阀(7)，分离蓄热器(10)的出口安装有分离蓄热器出口阀(11)；送风旁路管道(8)的两端分别与主热风道(6)和分离蓄热器(10)的换热管束进口连接管(19)相连，热风旁路连接管(14)的进出口分别与分离蓄热器(10)的换热管束出口连接管(23)和热风连接管(12)相连构成蓄热换热通路；送风旁路管道(8)的末端安装有送风旁路阀(9)，热风旁路连接管(14)的末端安装有热风旁路阀(13)；
分离蓄热器(10)的主体为蓄热颗粒填充床(20)，蓄热颗粒填充床(20)上依次设有旋风分离器(21)和热风出口(22)，热风进口(16)经蓄热颗粒填充床(20)与旋风分离器(21)和热风出口(22)相通；蓄热颗粒填充床(20)的外围由围护结构(24)支撑，蓄热颗粒填充床(20)的内部布置有换热管束(17)，换热管束(17)的两端分别与换热管束进口连接管(19)和换热管束出口连接管(23)相连，换热管束进口连接管(19)和换热管束出口连接管(23)上分别设有风门(18)；分离蓄热器(12)底部设有颗粒卸料口(25)。
2.根据权利要求1所述的一种气固两相换热储热型太阳能集热系统，其特征在于所述的颗粒给料机(4)和蓄热颗粒填充床(20)内的颗粒为石墨、碳化硅或金属粉末，其粒径范围为20～200微米。
3.一种利用权利要求1所述系统的气固两相换热储热型太阳能集热换热方法，其特征在于：当太阳光辐照净加热功率大于主换热器需求功率时，主送风道阀(2)、主热风道阀(7)和分离蓄热器出口阀(11)开启，其他阀门关闭，风机(1)经主送风道(3)将冷风送入聚光吸热腔(5)内与颗粒给料机(4)投入的蓄热颗粒混合后，被聚焦太阳光加热升温后，经主热风道(6)进入分离蓄热器(10)，气固两相流体通过分离蓄热器(10)的旋风分离器(21)实现气体与颗粒的分离，热风气体经热风出口(22)流入热风连接管(12)流入主换热器(15)实现最终的热交换，颗粒则落入蓄热颗粒填充床(20)逐渐将换热管束(17)之间的间隙填充覆盖形成蓄热堆，实现对多余热能的存储；此时，当辐照出现波动时，则通过控制颗粒给料机(4)中蓄热颗粒的流量，调节蓄热量实现进而保证进入主换热器(15)的热风的温度和流量；当太阳能辐照净加热功率小于主换热器需求功率时，关闭颗粒给料机(4)，吸热腔(5)仅加热空气达到设计温度后经分离蓄热器(10)和热风连接管(12)流入主换热器(15)实现最终的热交换；当太阳能辐照净加热功率小于主换热器需求功率时，空气经聚光吸热腔(5)加热后已无法达到设计的温度参数要求，颗粒给料机(4)不再投放蓄热颗粒，同时开启送风旁路阀(9)和热风旁路阀(13)，关闭调节主热风道阀(7)和分离蓄热器出口阀(11)并调节风门(18)的开度，使得经聚光吸热腔(5)加热的热风在蓄热颗粒填充床(20)内被进一步升温后，再经旁路和热风连接管(12)流入主换热器(15)实现热交换。
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