CN107084536B - 一种吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统 - Google Patents

一种吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统，可减小辐射热流集中区域吸热管的表面温度，降低集热器表面局部过热度，延长吸热管寿命。各个吸热器模块沿水平向贴靠排列在集热器表面；同一个吸热器模块中的各根吸热管的管径规格均相同；不同的吸热器模块之间，吸热管的管径规格不同；由相同管径规格的吸热管组成的吸热器模块在集热器表面上对称布置，对称轴为集热器表面太阳辐射热流密度最大值所在的直线，且该直线与吸热管本身的中轴线同一方向；这些吸热器模块根据吸热管的管径规格由小到大依次排列，离该对称轴最近的吸热器模块中的吸热管管径最小，离该对称轴最远的吸热器模块中的吸热管管径最大。

Description

一种吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统
技术领域
本发明涉及一种吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统。
背景技术
近年来，随着能源需求的剧烈增长，太阳能热发电技术正成为世界范围内可再生能源领域的热点。根据不同的聚焦方式，太阳能热发电主要有三种形式：槽式系统、塔式系统和蝶式系统。与其它两种发电形式相比较，塔式太阳能热能发电系统具有更高的聚光比，更高的工作温度以及较长的工作寿命，并且适宜大规模发电，因此所受到的研究最多。
塔式太阳能热发电的原理是大量的大型反射镜布置在开阔的场地上，各个反射镜都匹配了相应的跟踪系统，精确的反射太阳辐射光聚焦到布置在高塔顶部的集热器上。塔式太阳能热发电系统的集热器是电站的主要设备，其建造成本占到整个电站成本的15％。在集热器内，光能通过传热换热转化为工质(如熔盐、水或其它)的热能，其性能直接影响整个电站的正常运行。目前塔式太阳能热发电系统中集热器主要有两种形式：柱面体外表面受光型、腔体式内表面受光型。通常这两种形式的集热器均采用管壁式结构，柱面体外表面受光型集热器内吸热管常排列成圆弧面，腔体式内表面受光型集热器内吸热管常排列成平面，传热工质在吸热管中流动进行太阳能——热能的转换。
塔式太阳能热发电系统本质上是一种集中式系统，其定日镜场的聚焦作用使得投射到集热器表面的热负荷呈现时间和空间分布的不均匀性，使得近太阳侧的集热器受热面接收到的太阳辐射远远大于远太阳侧的集热器受热面，导致近太阳侧的集热器受热面辐射热流明显高于远太阳侧的辐射热流，在高聚光比作用下，集热器表面局部热流密度能达到500KW/m2以上，造成集热器表面局部过热，不同区域吸热管吸收的热量不一样，导致吸热管出口处传热工质温度不同，造成热偏差。同时，太阳辐射热流集中处吸热管热膨胀变形剧烈，出现高温烧蚀，减少吸热管的寿命，且过大的热应力可能会导致吸热管局部爆管，影响集热器的安全稳定运行。
目前，塔式太阳能热发电站中采用的传热换热工质主要为水/蒸汽和熔融盐。对于水/蒸汽工质，集热器表面太阳辐射热负荷的不均匀现象容易导致系统工质流量分配不均，易产生循环停滞和倒流等不利影响，特别在局部热负荷集中区域，单相水迅速汽化为水蒸气，产生膜态沸腾，进而导致传热恶化。而对于熔融盐工质，虽然不存在汽化的问题，但热负荷集中区域，易发生熔融盐的高温腐蚀，减少吸热管的寿命，影响集热器的安全稳定，且熔融盐的物性参数随温度会发生显著变化，增加工质传热的不可控性。因此集热器运行的主要问题之一就是如何降低集热器表面局部过热度。
针对集热器表面局部过热现象，一些学者提出了多点聚焦镜场控制策略，即对定日镜场进行分区控制，太阳辐射投射到集热器受热面的不同目标，以使受热面的热负荷分布更加均匀。但实际太阳能热发电站中，聚焦点的控制通过定日镜场跟踪聚焦技术实现，聚焦点个数的增加，势必加大定日镜场的跟踪控制系统难度，对电站定日镜场控制技术提出了更高的要求。而现有的其他结构的集热器系统，如授权公告号为CN202947336U的中国专利中，公开了一种塔式太阳能电站吸热器，该吸热器采用多模块组并联，模块组内吸热器模块串连的方法，同时将同组的吸热器模块分散排列在吸热器表面，工质流经过多个吸热器模块后消除了吸热器表面受热不均对工质热效率的影响，虽然能解决吸热器出口工质的热偏差，但并不能降低集热器表面局部过热度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理的吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统，可减小辐射热流集中区域吸热管的表面温度，降低集热器表面局部过热度，延长吸热管寿命。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统，包括集热器，集热器包括多个吸热器模块，各个吸热器模块沿水平向贴靠排列在集热器表面；吸热器模块由多根吸热管组成；其特征在于：同一个吸热器模块中的各根吸热管的管径规格均相同；不同的吸热器模块之间，吸热管的管径规格不同；由相同管径规格的吸热管组成的吸热器模块在集热器表面上对称布置，对称轴为集热器表面太阳辐射热流密度最大值所在的直线，且该直线与吸热管本身的中轴线同一方向；这些吸热器模块根据吸热管的管径规格由小到大依次排列，离该对称轴最近的吸热器模块中的吸热管管径最小，离该对称轴最远的吸热器模块中的吸热管管径最大。
本发明所述的吸热器模块的宽度根据集热器受热面水平方向辐射热流变化值的绝对值进行划分，水平方向辐射热流变化值的绝对值的取值范围为0-50。
本发明各吸热器模块的前端均设有一个进口集箱，各吸热器模块的末端均设有一个出口集箱，吸热管的前端与进口集箱连通，吸热管的末端与出口集箱连通。
本发明各吸热器模块的进口集箱的前端均设有调节阀和流量计。
本发明所述各吸热器模块的吸热管表面均设有温度传感器。
本发明在各吸热器模块的进口集箱和出口集箱之间设有旁路通道，旁路通道上设有旁路阀。
本发明所述的集热器的结构形式为由多个圆弧面构成的圆柱型，或是由多个平面构成的棱柱型，或是弧面或平面拼成的多面体、腔体式结构。
本发明所述的对称轴为正午12:00时集热器表面太阳辐射热流密度最大值所在的直线。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
(1)根据集热器表面太阳辐射热流的不均匀性，针对性布置多种管径规格的吸热管，太阳辐射热流集中的区域，布置的吸热管管径最小，由此辐射热流集中区域的吸热管中吸热工质的流速增大，进而该处的雷诺数增大，对流传热换热效果增强，达到减小辐射热流集中区域吸热管的表面温度，降低集热器表面局部过热度，延长吸热管寿命的目的。
(2)有效减小了集热器表面太阳辐射热流集中区域吸热管表面的温度，进而降低了吸热管局部过热造成的过大热应力和剧烈热膨胀，提高了集热器的安全稳定性，进一步延长了吸热管的使用寿命。
(3)显著提高了太阳辐射热流集中区域吸热管中吸热传热工质的对流传热系数，进而增强了工质对太阳辐射的吸收，提高了集热器的效率。
(4)吸热管表面温度的减小，可以有效降低吸热管的辐射和对流热损失，进一步提高集热器的效率，同时可降低吸热管承受的最高温。
(5)吸热管表面局部过热度的降低，可以减小太阳辐射热流集中区域的吸热管由于过大的温差产生的热应力和所承受的最高温，降低该区域对吸热管材质的选择要求，进而降低集热器的初投资成本。
(6)不同吸热器模块承受不同的温度和热应力，太阳辐射热负荷低的吸热器模块可采用材质要求低的吸热管，从而进一步降低集热器的初投资成本。
附图说明
图1是本发明的集热器表面的展开面的结构示意图。
图2是本发明的集热器表面正午12：00时的辐射热流分布示意图。
图3是本发明的集热器表面13：00时的辐射热流分布示意图。
图4是本发明的集热器表面15：00时的辐射热流分布示意图。
图5是本发明的剖面结构示意图。
图6是图5的A部分的放大结构示意图。
图7是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
参见图1-图7，塔式太阳能热发电系统本质上是一种集中式系统，通常定日镜场聚焦辐射使得集热器表面上辐射热流看作按高斯分布或者余弦分布。特别的，如图2所示，在正午12:00时，集热器表面上辐射热流对称分布，对称轴可取集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax所在的直线或者太阳辐射热流密度最小值qmin所在的直线，本发明中，对称轴3取集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax所在的直线，且该直线与吸热管2本身的中轴线11同一方向。
本实施例包括集热器，集热器包括多个吸热器模块1，各个吸热器模块1沿水平向相互贴靠排列在集热器表面。本实施例中，吸热器模块1为三种，分别是第一吸热器模块Ⅰ、第二吸热器模块Ⅱ、第三吸热器模块Ⅲ。
吸热器模块1为竖条状，由多根吸热管2组成，这些吸热管2呈单排设置。
同一个吸热器模块1中的各根吸热管2的管径规格均相同；而不同的吸热器模块1之间，吸热管2的管径规格和数量均不相同。
由相同管径规格的吸热管2组成的吸热器模块1在集热器表面上对称布置，且对称轴3为集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax所在的直线，且该直线与吸热管2本身的中轴线11同一方向。这些吸热器模块1根据吸热管2的管径规格由小到大依次排列，离该对称轴3最近的吸热器模块1中的吸热管2的管径最小，随着布置的吸热器模块1逐渐远离该对称轴3，吸热器模块1中的吸热管2管径逐渐变大，而离该对称轴3最远的吸热器模块1中的吸热管2的管径最大。本实施例中，第三吸热器模块Ⅲ、第二吸热器模块Ⅱ、第一吸热器模块Ⅰ依次排列；第三吸热器模块Ⅲ离对称轴3最近，其吸热管2的管径最小；第一吸热器模块Ⅰ离对称轴3最远，其吸热管2的管径最大。
集热器的结构形式为由多个圆弧面构成的圆柱型，或是由多个平面构成的棱柱型，或是弧面或平面拼成的多面体、腔体式结构。
根据对流传热原理，可以通过增大雷诺数Re来提高对流传热系数，增强传热换热效果。
吸热管2内雷诺数Re为：
Figure BDA0001302585920000051
吸热管2内工质的质量流量m为：
Figure BDA0001302585920000052
吸热管2内工质的沿程压损△P为：
Figure BDA0001302585920000053
上述公式中：Re为吸热管2内雷诺数；ρ为吸热管2内工质的密度；υ为吸热管2内工质的流速；Di为吸热管2的内径；μ为吸热管2内工质的粘度；m为吸热管2内工质的质量流量；△P为吸热管2内工质的沿程压损；f为无量纲摩擦系数；L为吸热管2的长度。
从式(1)和式(2)可以看出，在保证吸热管2内工质质量流量m不变的前提下，减小吸热管2的管径Di，可以使得吸热管2内工质的流速υ和雷诺数Re同时增加，进而吸热管2内表面处的对流传热系数增大，吸热管2的冷却效果增强，吸热管2的表面温度降低。离对称轴3最近的吸热器模块1受热面的热流密度最大，故该处的吸热器模块1中吸热管2的管径最小，这样可以保证热流密度最大处的吸热管2内的工质流速较大，离对称轴3最近的吸热器模块1中吸热管2的冷却效果较好。但从式(3)可以看出，吸热管2内工质的沿程压损△P随着流速υ增大而显著增大，故离对称轴3最近的吸热器模块1中吸热管2内工质沿程压损为增大，则要求离对称轴3最近的吸热器模块1中吸热管2的工质入口压力应相应增大。随着布置的吸热器模块1逐渐远离对称轴3，其吸热管2表面的热流密度逐渐降低，局部过热度较低，吸热管2内工质不需要较高的工质流速，则随着与对称轴3距离增大，吸热器模块1中吸热管2的管径逐渐变大，在达到吸热管2冷却效果的前提下，吸热管2内工质的沿程压损不至于很大，这样可降低保证工质热力循环所用增压泵所消耗的能量。
吸热器模块1的宽度可根据集热器受热面水平方向辐射热流变化值的绝对值|△q|进行划分，水平方向辐射热流变化值的绝对值|△q|的取值范围为[0-50]。本实施例中，以集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax所在的直线(对称轴3)为基准线。如图1-图4所示，对称轴3右侧的辐射热流取值为正，对称轴3左侧的辐射热流取值为负。当集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax取值为500KW/m2，集热器受热面水平方向辐射热流变化值的绝对值|△q|取50KW/m2时，吸热器模块1可划分为以下几种模块，如表1所示。从表1可以看出，吸热器模块1划分为10种模块，每一种模块有两个，这两个模块对应的辐射热流大小取值范围相同。
表1吸热器模块的划分。
Figure BDA0001302585920000061
Figure BDA0001302585920000071
各吸热器模块1的前端设有一个进口集箱4，各吸热器模块1的末端设有一个出口集箱5，吸热管2的前端与进口集箱4连通，吸热管2的末端与出口集箱5连通。这样使得工作工质按吸热器模块1分为若干个独立的回路，一方面使得不同吸热器模块1之间独立运行，相互不受影响，增强集热器整体的安全稳定运行；另一方面，考虑到集热器受热面辐射热流空间分布的不均匀性，各吸热器模块1中工作工质吸收的热量不一致，导致不同吸热器模块1中吸热管2出口处传热工质温度不同，存在热偏差，设计独立的回路可降低不同温度工质混合的不可逆性热损失。特别的，不同吸热器模块承受不同的温度和热应力，太阳辐射热负荷低的吸热器模块1可采用材质要求低的吸热管2，从而降低集热器的初投资成本。同时本发明在各吸热器模块1的进口集箱4和出口集箱5之间设有旁路通道6，旁路通道6上设有旁路阀7，吸热器模块1正常通道出现故障时，旁路通道6上的旁路阀7开启，作为紧急通道使用，该旁路阀7可选用电动阀，达到快速自动化操作的目的。
在达到吸热管2冷却效果的前提下，继续提高吸热管2内的质量流量m，吸热管内工质的沿程压损△P会随着流速υ增大而显著增大，这样导致传热工质热力循环所用增压泵所消耗的能量增大。故本发明所述各吸热器模块1进口集箱4的前端均设有调节阀8和流量计9。同时本发明所述各吸热器模块1的吸热管2表面均设有独立的温度传感器10，监测各吸热器模块1吸热管2表面的工作温度情况，为各吸热器模块1进口集箱4前端的流量流速调节提供依据。如果吸热器模块1的吸热管2表面温度超过设定值，则增大吸热器模块1进口集箱4前端传热工质的流量流速，达到降低吸热管2表面温度的目的。反之，则减少吸热器模块1进口集箱4前端传热工质的流量流速，可降低保证工质热力循环所用增压泵所消耗的能量，提高整个电站的效率。
需要特别说明的是，太阳的东升西落使得一天中不同时刻时，集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax的位置会发生偏移，如图2-图4所示。在实际运用中，针对不同时刻，吸热器模块1的安装位置可设置为正午12:00时的布局，即对称轴3为正午12:00时集热器表面太阳辐射热流密度最大值所在的直线，此时，集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax处的吸热器模块1中的吸热管2的有可能管径不是最小，但考虑到此时集热器表面太阳辐射热流密度最大值qmax的数值也在变小，如果温度传感器10检测到该处吸热器模块1的吸热管2表面温度超过设定值，无需改变吸热管2的管径，只需增大吸热器模块1进口集箱4前端传热工质的流量流速，使得吸热管2表面温度降低到设定值以下即可。这种方式结构简单，针对不同时刻，无需重新布局，降低集热器结构设计的难度。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明；而且，本发明各部分所取的名称也可以不同，凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。

Claims (3)

1.一种吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统，包括集热器，集热器包括多个吸热器模块，各个吸热器模块沿水平向贴靠排列在集热器表面；吸热器模块由多根吸热管组成；其特征在于：同一个吸热器模块中的各根吸热管的管径规格均相同；不同的吸热器模块之间，吸热管的管径规格不同；由相同管径规格的吸热管组成的吸热器模块在集热器表面上对称布置，对称轴为集热器表面太阳辐射热流密度最大值所在的直线，且该直线与吸热管本身的中轴线同一方向；这些吸热器模块根据吸热管的管径规格由小到大依次排列，离该对称轴最近的吸热器模块中的吸热管管径最小，离该对称轴最远的吸热器模块中的吸热管管径最大；各吸热器模块的前端均设有一个进口集箱，各吸热器模块的末端均设有一个出口集箱，吸热管的前端与进口集箱连通，吸热管的末端与出口集箱连通；各吸热器模块的进口集箱的前端均设有调节阀和流量计；所述各吸热器模块的吸热管表面均设有温度传感器；所述的集热器的结构形式为由多个圆弧面构成的圆柱型，或是由多个平面构成的棱柱型，或是弧面或平面拼成的多面体、腔体式结构；所述的对称轴为正午12:00时集热器表面太阳辐射热流密度最大值所在的直线。
2.根据权利要求1所述的吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统，其特征在于：所述的吸热器模块的宽度根据集热器受热面水平方向辐射热流变化值的绝对值进行划分，水平方向辐射热流变化值的绝对值的取值范围为0-50。
3.根据权利要求1所述的吸热管管径渐变的高效塔式太阳能电站集热器系统，其特征在于：在各吸热器模块的进口集箱和出口集箱之间设有旁路通道，旁路通道上设有旁路阀。
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