CN107345714A - 一种基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，它主要由透光窗口、颗粒‑光热转换通道、隔板、颗粒‑空气换热通道以及保温层组成，在颗粒‑空气换热通道两端设置有冷空气入口和热空气出口；在颗粒‑光热转换通道中设置由颗粒运动控制装置，所述颗粒运动控制装置主要由转轴和带有台阶的履带、电机组成。本发明可以对固体颗粒的运动速度、运动方向以及空间分布进行主动控制，彻底解决了传统流化床式或自由下落式颗粒吸热器遇到的固体颗粒的运动速度和空间分布不可控、吸热效率较低、热斑破坏等问题；还具有结构简单、操作方便、适用温度范围高、吸热能力强、储热多等优点。

Description

一种基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器

技术领域

本发明属于太阳能热利用领域。具体地，本发明涉及一种基于流动固体颗粒的太阳高温空气吸热器。

背景技术

由于煤、石油、天然气等化石能源的储量有限，以及大量利用化石能源导致全球气候变暖、大气污染、生态恶化，人类赖以生存的环境受到前所未有的挑战，传统化石能源发电技术在能源供应领域中的地位越来越受到质疑；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，更威胁了人类的生命健康。核废料的处理方式，更是人类一直悬而未决的难题。核废料一旦生产出来，其辐射将在未来两百多万年里威胁人类的健康。相比之下，利用太阳能发电无疑是更加安全、可靠、节能、环保的一种发电方式。太阳能可以认为是取之不尽用之不竭的清洁能源。

目前，太阳能发电方式有光伏发电和太阳能光热发电两种技术途径。太阳能光伏发电技术，其电站出力功率波动很大，电网消纳具有较大难度，因而近年来我国出现有相当高比例的弃光现象，比如我国2016年平均弃光20％，局部地区达50％。相比太阳能光伏发电技术，太阳能光热发电技术具有发电平稳和可以储能的优点，电力更加容易被电网和用户消纳。特别是在光伏电站已经大规模建立的情况下，发展太阳能热发电技术十分重要。

根据传热学和热力循环的理论，提高太阳能热发电光到电转换效率的关键指标是导热流体的温度。以空气为传热介质的太阳能热发电技术，空气可以被加热到1000℃以上，还由于空气具有宽广范围内无相变、易于获取、无毒等优点，因而被认为具有十分广阔的发展前途。吸热器是太阳能热发电中实现光热转化的核心部件，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，同时影响电站的可靠性和安全性。

以空气为传热流体的吸热器，主要有两种结构形式。一种是容积式太阳能空气吸热器，另一种是固体颗粒吸热器。现有的这两种结构形式的吸热器，都存在缺点。容积式太阳能空气吸热器，吸热体材料不能承受由于聚光精度不高导致的局部热斑现象，在实验室测试和示范电站运行过程中，吸热体多次发生热斑破坏的情况。以流动的固体颗粒为吸热体的粒子吸热器近十年来得到了广泛关注，由于固体颗粒尺寸小，并且吸热器工作时颗粒处于运动状态，能够克服由于能流分布不均匀导致的热斑破坏现象。但是，现有的颗粒吸热器都存在缺点。Ho,Clifford 2016年发表的论文"A review of high-temperatureparticle receivers for concentrating solar power."(Applied ThermalEngineering,109卷2016年：页码958-969)对现有的颗粒吸热器进行了综述说明。主要包括直接式和间接式粒子吸热器，粒子运动的驱动力为重力、离心力或气动力。对粒子依靠重力下落的粒子吸热器，为了控制粒子下落速度，采用了多孔介质或障碍物阵列的措施延缓粒子下落速度。

然而，现有的颗粒吸热器在实践中遇到以下问题：(1)粒子下落形成粒子幕墙的方式不能对粒子空间分布的均匀性和下落速度进行控制；(2)采用多孔介质或障碍物阵列的措施延缓粒子下落速度的粒子吸热器，不能克服热斑破坏的情况；(3)流化床形式的吸热器同样不能对粒子空间分布的均匀性和运动速度进行控制，在气流存在漩涡的地方，颗粒会产生堆积；(4)间接式颗粒吸热器的气流速度和颗粒速度是相关联的，不可分别控制。因此，本领域需要一种结构相对简单、易于操控、高效率的能够克服上述技术缺陷的吸热器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有固体颗粒吸热器的技术缺陷，提供一种固体颗粒速度能够根据颗粒温度、空气温度和太阳辐照度进行控制的间接式太阳能高温空气吸热器。本发明吸热器中的固体颗粒在系统中循环流动，能够产生稳定温度的高温空气。

为了达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，主要由透光窗口、颗粒-光热转换通道、隔板、颗粒-空气换热通道以及保温层组成，在颗粒-空气换热通道两端设置有冷空气入口和热空气出口；在颗粒-光热转换通道中还设置有颗粒运动控制装置，所述颗粒运动控制装置主要由转轴和带有台阶的履带、电机组成。

作为本发明改进的技术方案，所述履带位于隔板两侧并贯穿颗粒-光热转换通道、颗粒-空气换热通道。

作为本发明改进的技术方案，所述带台阶的履带由耐高温金属网制成。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述台阶制成网篮或网袋型。

作为本发明改进的技术方案，在颗粒-光热转换通道设置有颗粒温度传感器，在颗粒-空气换热通道设置有气流温度传感器，所述电机为变速电机，其可以根据颗粒温度和气流温度改变颗粒的运送速度。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述颗粒温度传感器位于颗粒-光热转换通道高温端，所述气流温度传感器位于颗粒-空气换热通道的高温端。

作为本发明改进的技术方案，所述固体颗粒主要由A、B两种材料组成，其中A为高温相变材料，B为耐高温吸热材料，B包覆在A表面。

作为本发明改进的技术方案，所述A主要由35～50％wt黏土、13～22％wt硫酸盐、3～7％wt石墨烯、23～36％wt三氧化二铝、余量的水制成。

进一步地，所述A主要由38.8～47.2％wt黏土、15.3～20.6％wt硫酸盐、4.4～5.9％wt石墨烯、25.6～31.4％wt三氧化二铝、余量的水制成。

优选地，所述A主要由42.1％wt黏土、18.9％wt硫酸盐、5.3％wt石墨烯、28.4％wt三氧化二铝、余量的水制成。

进一步地，所述硫酸盐包括硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钙中的一种或多种。

作为本发明改进的技术方案，所述B主要由20～40％wt黏土、17～24％wt碳化硅、17～24％wt氮化硅、17～25％wt三氧化二铝、余量的水组成。

进一步地，所述B主要由25～35％wt黏土、19～23％wt碳化硅、19～23％wt氮化硅、19～22％wt三氧化二铝、余量的水组成。

进一步地，所述B主要由30％wt黏土、21％wt碳化硅、21％wt氮化硅、21％wt三氧化二铝、余量的水组成。

作为本发明改进的技术方案，所述固体颗粒的制备方法为：将制备A的原料混合均匀，球磨24～48h，球磨机转速为100～250rpm，球料比为3：1～10：1，然后喷雾造粒，颗粒直径为100～200nm，陈化1～3天，400～500℃下焙烧5～10h，制得A颗粒；将A颗粒与B按照1：2～4的质量比混合均匀，喷雾造粒，控制颗粒直径为300～400nm，陈化1～3天，700～800℃下煅烧5～10h，得到固体颗粒。

相对于传统颗粒吸热器，本发明的吸热器具有如下优点：

(1)本发明属于间接式颗粒吸热器，由颗粒-光热转换和颗粒-空气换热两个步骤来实现光热转换和导热流通带走热量；

(2)本发明通过温度传感器和颗粒运动控制装置，可以对固体颗粒的运动速度、运动方向以及空间分布进行主动控制，彻底解决了传统流化床式或自由下落式颗粒吸热器遇到的固体颗粒的运动速度和空间分布不可控、吸热效率较低、热斑破坏等问题；

(3)本发明中的固体颗粒仅在吸热器中循环流动，不需要对固体颗粒进行长距离输运，降低运行成本；

(4)本发明还对固体颗粒进行了改进，使得本发明的吸热器可用于较高温度的温度范围，具有吸热能力强、储存能量多等优点。

附图说明

图1是本发明的流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器的正视图。

图2是图1中“A—A”剖视图。

图3是图1中“B—B”剖视图。

图4、图5是图1中颗粒运动控制装置的2种结构形式。

附图标记含义如下：

1、透光窗口；2、太阳光辐射；3、颗粒运动控制装置；4、隔板；5、颗粒-光热转换通道；6、冷空气入口；7、热空气出口；8、颗粒-空气换热通道；9、保温层。

以上附图仅用于示例性地说明本发明的技术构思和技术方案，而不以任何方式限制本发明。

具体实施方式

为了便于理解本发明，首先对本发明涉及的一些术语简单介绍如下：“颗粒运动控制装置3”是指主动控制固体颗粒运动速度的装置。比如，有台阶的履带，在转轴带动下旋转运动，固体颗粒卡在履带的台阶上，随着履带一起运动。这里的履带、台阶、转轴以及控制轴转动的电机，还有监控颗粒温度的传感器，共同称为颗粒运动控制装置3。

“颗粒-光热转换通道5”是指一流道，固体颗粒在其中运动并吸收聚光太阳辐照、温度不断升高的通道。在该通道内，固体颗粒吸收太阳光辐射，完成光热转换。

“颗粒-空气换热通道8”也指一流道，固体颗粒和空气同时在里面运动，固体颗粒在颗粒-光热转换通道5内吸收的热量，在此通过对流换热传递给气体，产生高温气流。通常，固体颗粒流动的方向与气流方向相反。

“比表面积”是指单位质量物料所具有的总面积。

“逆流”指固体颗粒的运动方向与空气的流动方向相反。

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器的正视图，图2和3为本发明的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器的剖视图。由图可见，本发明的吸热器主要由透光窗口1、颗粒-光热转换通道5、隔板4、颗粒-空气换热通道8以及保温层9组成。在颗粒-空气换热通道8两端设置有冷空气入口6和热空气出口7。在颗粒-光热转换通道5内设置有颗粒运动控制装置3，它主要由转轴和带有台阶的履带、电机组成。在颗粒-光热转换通道5设置有颗粒温度传感器，在颗粒-空气换热通道8设置有气流温度传感器，所述电机为变速电机，其可以根据颗粒温度和气流温度调节颗粒的运送速度。

太阳光辐射2通过透光窗口1投射到在颗粒-光热转换通道5内运动的固体颗粒上，固体颗粒吸收聚光太阳光辐射2，温度升高；固体颗粒在颗粒运动控制装置3的控制下，从颗粒-光热转换通道5流进颗粒-空气换热通道8；空气从冷空气入口6流入，与从颗粒-光热转换通道5流入的高温固体颗粒进行对流换热，气流温度升高后，从热空气出口7流走。固体颗粒经过与空气换热后温度降低，然后再进入颗粒-光热转换通道5。固体颗粒不间断地在颗粒-光热转换通道5和颗粒-空气换热通道8内循环流动，实现对聚光太阳光辐射2的连续光热转换，并产生连续而稳定的高温气体。

根据需要，透光窗口1可以为自由空间，这样形成的太阳能高温空气吸热器为常压型空气吸热器。透光窗口1也可以为石英玻璃窗或玻璃管，这样形成的太阳能高温空气吸热器为承压型空气吸热器。例如，根据需要选择不同尺寸的石英玻璃，制造出不同承压强度的吸热器。

颗粒运动控制装置3，可以根据要求调节固体颗粒的运动速度。除了上文提到的带台阶的履带形外(如图4所示)，还可以用耐高温的金属网制作固定并输运固体颗粒的装置，金属网袋/篮均匀布置并固定在另一张金属网上，固体颗粒装在金属网袋/篮内，空间上形成一层固体颗粒(如图5所示)。这一层固体颗粒在转轴带动下旋转运动。这里的金属网/篮、转轴以及控制轴转动的电机，还有监控颗粒温度的传感器，共同称为颗粒运动控制装置3。

颗粒运动控制装置3可以仅位于颗粒-光热转换通道5，将固体颗粒由颗粒-光热转换通道5底部运动到顶部，然后进入颗粒-空气换热通道8，固体颗粒在自身重力作用下下落，与空气逆流换热，然后通过颗粒-空气换热通道8底部进入颗粒-光热转换通道5。当然，在颗粒-空气换热通道8内还可设置多孔介质或障碍物阵列来控制固体颗粒的下落速度。

颗粒运动控制装置3也可以位于隔板4两侧，且贯穿颗粒-光热转换通道5和颗粒-空气换热通道8。颗粒运动控制装置3将固体颗粒由颗粒-光热转换通道5底部运送到顶部，然后再送入颗粒-空气换热通道8，由颗粒-空气换热通道8顶部运送到底部，再由颗粒-空气换热通道8底部送入颗粒-光热转换通道5。

颗粒温度监视器安装在颗粒-光热转换通道5的高温端，对固体颗粒的最高温度进行监视；气流温度传感器位于颗粒-空气换热通道8的高温端，对空气的最高温度进行监视。颗粒运动控制装置3可以根据颗粒温度、需求的空气温度和太阳辐照度等对颗粒流动速度进行控制。当固体颗粒温度高于需求时，例如出现高于气体的温度要求或者出于吸热器安全的需求，颗粒运动控制装置3将增加颗粒的运动速度；当固体颗粒温度低于需求时，比如由于云遮造成太阳辐射下降，或者颗粒运动速度过快时，颗粒运动控制装置3将降低颗粒的运动速度甚至停止运行。颗粒运动控制装置3还可根据太阳能聚光辐射的方向或其它要求控制颗粒颗粒的运动方向，例如向上、向下运动，也可以倾斜或垂直运动。空气的流动速度均可根据需要进行调节，固体颗粒温度高时加大空气的流动速度，固体颗粒温度低时减缓空气的流动速度，以最终达到产出稳定高温气流的目的。

本发明中的固体颗粒，可以选择常见的碳化硅、SiC基复相陶瓷、石墨等耐高温材料，其可在常温到1000℃的范围内使用，该固体颗粒应具有较大的比表面积，与气体换热时具有很高的换热系数和换热效率。为了确保本发明能用于更高的温度范围，增大单位质量的固体颗粒的储热量，本发明还对现有的固体颗粒进行了改进。改进方案主要如下：所述固体颗粒主要由A、B两种材料组成，其中A为高温相变材料，B为耐高温吸热材料，B包覆在A表面；其制备方法为：将35～50％wt黏土、13～22％wt硫酸盐、3～7％wt石墨烯、23～36％wt三氧化二铝、余量的水混合均匀，球磨24～48h(实施例中为36h)，球磨机转速为100～250rpm(实施例中为200rpm)，球料比为3：1～10：1(实施例中为5：1)，然后喷雾造粒，颗粒直径为100～200nm，陈化1～3天(实施例中为2天)，400～500℃(实施例中为450℃)下焙烧5～10h，制得A颗粒；将20～40％wt黏土、17～24％wt碳化硅、17～24％wt氮化硅、17～25％wt三氧化二铝、余量的水混合均匀，构成B的主要成分，将A与B按照1：2～4(实施例中为1：3)的质量比混合均匀，喷雾造粒，控制颗粒直径为300～400nm，陈化1～3天(实施例中为2天)，700～800℃(实施例中为7590℃)下煅烧5～10h，得到固体颗粒。

固体颗粒的具体配方如下：

配方一

固体颗粒可达到的最高温度为890℃。

配方二

固体颗粒可达到的最高温度为1130℃。

配方三

固体颗粒可达到的最高温度为1132℃。

配方四

固体颗粒可达到的最高温度为1128℃。

配方五

固体颗粒可达到的最高温度为1125℃。

配方六

固体颗粒可达到的最高温度为893℃。

配方七

固体颗粒可达到的最高温度为888℃。

配方八

固体颗粒可达到的最高温度为1129℃。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，主要由透光窗口、颗粒-光热转换通道、隔板、颗粒-空气换热通道以及保温层组成，在颗粒-空气换热通道两端设置有冷空气入口和热空气出口，其特征在于：在颗粒-光热转换通道中还设置有颗粒运动控制装置，所述颗粒运动控制装置主要由转轴和带有台阶的履带、电机组成。

2.根据权利要求1所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：所述履带位于隔板两侧并贯穿颗粒-光热转换通道和颗粒-空气换热通道。

3.根据权利要求1所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：所述带台阶的履带由耐高温金属网制成。

4.根据权利要求3所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：所述台阶制成网篮或网袋型。

5.根据权利要求1所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：在颗粒-光热转换通道设置有颗粒温度传感器，在颗粒-空气换热通道设置有气流温度传感器，所述电机为变速电机，其可以根据颗粒温度和气流温度改变颗粒的运送速度。

6.根据权利要求5所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：所述颗粒温度传感器位于颗粒-光热转换通道高温端，所述气流温度传感器位于颗粒-空气换热通道的高温端。

7.根据权利要求1所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：所述固体颗粒主要由A、B两种材料组成，其中A为高温相变材料，B为耐高温吸热材料，B包覆在A表面。

8.根据权利要求7所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：所述A主要由35～50％wt黏土、13～22％wt硫酸盐、3～7％wt石墨烯、23～36％wt三氧化二铝、余量的水制成；优选地，所述硫酸盐包括硫酸钠、硫酸钾、硫酸镁、硫酸钙中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于：所述B主要由20～40％wt黏土、17～24％wt碳化硅、17～24％wt氮化硅、17～25％wt三氧化二铝、余量的水组成。

10.根据权利要求9所述的基于流动固体颗粒的太阳能高温空气吸热器，其特征在于，所述固体颗粒的制备方法为：将制备A的原料混合均匀，球磨24～48h，球磨机转速为100～250rpm，球料比为3：1～10：1，然后喷雾造粒，颗粒直径为100～200nm，陈化1～3天，400～500℃下焙烧5～10h，制得A颗粒；将A颗粒与B按照1：2～4的质量比混合均匀，喷雾造粒，控制颗粒直径为300～400nm，陈化1～3天，700～800℃下煅烧5～10h，得到固体颗粒。