CN108679864B - 一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，包括管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐、热熔盐罐、冷熔盐泵、热熔盐泵以及互联管路系统，管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐以及热熔盐罐之间由互联管路系统连接，其中容积式吸热器包括封头、吸热腔、分流板、出口导流槽、壁面冷却器、复合保温层以及保温盖板；本发明与二次反射聚光系统光斑能流特征相匹配，集热吸热效率高，运行安全可靠、传热工质温度可控性强，操作简单，适用于大规模二次反射聚光系统集热系统，可有效保障光热电站安全稳定运行。

Description

一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器

【技术领域】

本发明涉及一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，属于光热技术领域。

【背景技术】

大规模太阳能聚光热发电（CSP）技术已经在国内外商业化项目上得到了验证。相对于光伏及风电等清洁能源电站，光热电站的最大优势是其稳定且可调度的电力输出能力。目前CSP主流技术为槽式导热油、塔式熔盐及塔式直接蒸汽发生（DSG）技术。近年来，二次反射聚光热发电技术由于其吸热技术安全可靠，操作简单，成本低的特点在世界范围内也引起了较多的关注。

基于二次反射聚光技术的吸热器可置于地面附近，降低了对流散热损失，运行安全性也可以得到很大的提升。美国专利US20110067398A1公布了一种置于地面的太阳能聚焦和储能系统，定日镜安装于具有一定角度的斜坡上，聚焦后的高倍数太阳能流斜射进入低位安置的圆柱腔形吸热器中，吸热器内熔盐直接吸收定日镜聚焦的太阳辐射，该装置具有吸热储热一体化的功能，但是装置容积大，集热时熔盐处于静止状态，流量调节及工质温度控制功能相对欠缺。美国专利WO2010083285公布了一种二次反射的太阳能直接吸收和储热装置，二次反射聚焦后的太阳能流向下直射进入一体化吸热储热熔盐储罐内，熔盐在储罐内吸收太阳辐射升高温度，此装置同样存在温度难以精确控制的问题。中国专利CN104776615B公布了一种基于二次反射聚光系统的直接吸热式太阳能集热装置，包括圆台、吸热腔体、保温层、高温熔盐缓冲罐和低温熔盐储罐，圆台腔体内有多区域隔离板，上部圆台内侧壁及底部有高温熔盐出口装置，吸热腔体内设有强化吸热及换热装置，保温层外有支撑结构，吸热腔底部有流量分配板，此装置解决了传热工质出口温度的控制问题，但是集热场热功率超过50MW时，二次反射光斑直径一般大于10m，此装置仍具有熔盐装载量过大，光热转换效率较低，流动传热调节能力欠缺的问题。为了进一步降低CSP平准化度电成本， CSP电站设计越来越倾向于更大的装机容量，因此提出一种适用于大规模（热功率50-100MW）集热场的组合式熔盐吸热器，吸热效率高，工质温度可控性更强。

【发明内容】

本发明的目的在于：针对现有技术的缺陷和不足，提供一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，该组合式熔盐吸热器光热转换效率高，传热工质出口温度可控性强，操作简单，运行稳定，适用于具有大规模（热功率50-100MW）集热场的CSP电站。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，该吸热器内设有液体换热工质，包括管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐、热熔盐罐、冷熔盐泵、热熔盐泵以及互联管路系统，所述的管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐和热熔盐罐之间通过互联管路系统相连，其中所述的冷熔盐罐内储存冷熔盐，热熔盐罐内存储热熔盐，所述的冷熔盐罐通过冷熔盐泵将罐内的冷熔盐经冷熔盐进口管道输送到管排式对流换热组件中，冷熔盐与对管排式对流换热组件进行对流换热升高温度，冷熔盐经管排式对流换热组件升温后自冷熔盐总管进入容积式吸热器，熔盐经容积式吸热器升温后，通过热熔盐排放管路排放至热熔盐罐，热熔盐罐顶部安装有热熔盐泵，并通过热熔盐罐出料管将热熔盐输送至用热设备。

在本发明中：所述的管排式对流换热组件包括换热组件和组件间连接管道，所述的换热组件通过组件间连接管道两两相连；其中所述的换热组件由吸热管及连接管组成，形成整体吸热面，整体吸热面包含10-18片换热组件，管排式对流换热组件接受的太阳能能流密度为50-500kW/㎡。

在本发明中：所述的吸热管为内螺纹管，换热能力比光管高40%以上，口径为DN25-DN65，吸热管之间间隙为1-2.5mm。

在本发明中：所述的管排式对流换热组件呈环形布置在容积式吸热器上方外环区域，与水平吸热面之间呈一定倾角，倾角为30°-60°。

在本发明中：所述容积式吸热器包括吸热腔、封头、分流板、出口导流槽、壁面冷却器、复合保温层以及保温盖板；所述吸热腔的底部设有封头，所述封头为椭圆封头或碟式封头；封头的上方设有分流板，分流板分为3-5个区域，每个区域均有布流孔及定位板，达到流量分配的目的；所述的吸热腔为分段结构，上段口径大，下段口径小，上、下段之间为锥形过渡段；所述的出口导流槽安装在容积式吸热器的上段顶部附近，出口导流槽包括6-12个导流槽组件，均匀布置在容积式吸热器上段圆形外壁面上；所述的壁面冷却器为盘管式结构，盘管上均匀分布布流孔，壁面冷却器安装在吸热腔的锥形过渡段上，对壁面法向照度较高的锥形过渡段进行冷却；所述的复合保温层敷设在容积式吸热器外壁面，为多层保温结构，其中靠近容积式吸热器外壁面的内层采用纳米棉，外层采用硅酸铝；所述的保温盖板为两片对开式结构，用滑轮支撑在导轨上，使用电机驱动，具有自动启闭功能；其中容积式吸热器接受的太阳能能流密度为50-2000kW/㎡。

在本发明中：所述的管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐以及热熔盐罐之间通过互联管路系统相连,其中，从冷熔盐罐至管排式对流换热组件的熔盐管路有两路，分别是冷熔盐进口总管及熔盐排空管路，熔盐排空管路上设有熔盐排空阀；管排式对流换热组件至容积式吸热器的熔盐管路包括冷熔盐分配管，以及熔盐分支管路一，进入容积式吸热器底部，熔盐分支管路二，进入容积式吸热器上部的壁面冷却器；冷熔盐罐至容积式吸热器设置一路熔盐排空管路，且熔盐排空管路上设有熔盐排空阀；容积式吸热器至热熔盐罐之间设置一路热熔盐排放管路；其中熔盐管路所有水平管线坡度至少为3度，吸热器在夜间可通过熔盐管路完全排空。

在本发明中：所述的液体换热工质为熔盐，熔盐成分为硝酸盐或碳酸盐或氯盐或混合盐，熔盐的使用温度范围为200℃～1000℃。

通过上述技术方案后，本发明有益效果为：

1.本发明中利用对流换热组件与容积式吸热器构成组合式吸热器，与二次反射聚光系统光斑能流特征相匹配，适用于大规模（50-100MW）二次反射太阳能聚光系统；

2.本发明中所述对流换热组件为排管式，管排式组件由吸热管及连接管组成，吸热管为内螺纹管，换热能力比光管高40%以上；

3.本发明中容积式吸热器的吸热腔为分段结构，上段口径大，下段口径小，上、下段之间为锥形过渡段，可有效降低熔盐的装载量，提高吸热器的动态响应能力，温度控制更加精确；

4.本发明中容积式吸热器的吸热腔内设置壁面冷却器，分布于在吸热腔的锥形过渡段上，为盘管式结构，盘管上均匀分布布流孔，可对吸热器局部区域进行冷却，防止光斑能量波动引起壁面温度超温，保障吸热器运行安全性；

5.本发明中容积式吸热器的顶部设置保温盖板，保温盖板为两片对开式结构，用滑轮支撑在导轨上，使用电机驱动，通过保温盖板的自动启闭功能，可以在来云工况下根据DCS信号迅速关闭，降低吸热器的热损失；在来雨及沙尘天气下对吸热器进行防护，防止雨水及沙尘进入吸热器内部；

6.本发明中对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐以及热熔盐罐之间通过熔盐管路连接，其中，从冷熔盐罐至对流换热组件设置熔盐排空管路，熔盐排空管路上设有熔盐排空阀；冷熔盐罐至容积式吸热器设置熔盐排空管路；熔盐管路水平管线坡度至少为3度，吸热器内熔盐可以完全排空，吸热器夜间无冻堵风险，适应太阳能电站每天启停的需求。

【附图说明】

图1是本发明的示意图。

图中：1、管排式对流换热组件；2、容积式吸热器；3、冷熔盐罐；4、热熔盐罐；101、换热组件；201、保温盖板；202、导轨；203、出口导流槽；204、壁面冷却器；205、分流板；206、封头；207、复合保温层；208、吸热腔；301、冷熔盐泵；302、冷熔盐罐进料管；401、热熔盐泵；402、热熔盐罐出料管；501、冷熔盐进口总管；502、组件间连接管道；503、组件间连接管道；504、组件间连接管道；505、冷熔盐分配管；506、熔盐分支管路一；507、熔盐分支管路二；508、热熔盐排放管路；509、总流量调节阀；510、熔盐排空阀；511、熔盐排空阀；512、流量分支调节阀；513、熔盐排空管路；514、熔盐排空阀；515、熔盐排空管路；516、熔盐排空管路。

【具体实施方式】

下面结合图1详细说明本发明的具体实施方案，其中的示意性实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，该吸热器内设有液体换热工质，所述的液体换热工质为熔盐，熔盐成分为硝酸盐或碳酸盐或氯盐或混合盐，熔盐的使用温度范围为200℃～1000℃；其中该吸热器包括管排式对流换热组件1、容积式吸热器2、冷熔盐罐3、热熔盐罐4、冷熔盐泵301、热熔盐泵401以及互联管路系统，所述的管排式对流换热组件1、容积式吸热器2、冷熔盐罐3和热熔盐罐4之间通过互联管路系统相连，其中所述的冷熔盐罐3内储存冷熔盐，热熔盐罐4内存储热熔盐，所述的冷熔盐罐3通过冷熔盐泵301将罐内的冷熔盐经冷熔盐进口总管501输送到管排式对流换热组件1中，冷熔盐与管排式对流换热组件1进行对流换热升高温度，冷熔盐经管排式对流换热组件1升温后依次经冷熔盐分配管505、熔盐分支管路一506以及熔盐分支管路二507后进入容积式吸热器2，熔盐经容积式吸热器2升温后，通过热熔盐排放管路508排放至热熔盐罐4，热熔盐罐4顶部安装有热熔盐泵401，并通过热熔盐罐出料管402将热熔盐输送至用热设备。

所述的管排式对流换热组件1包括换热组件101和组件间连接管道502、503、504，换热组件101通过组件间连接管道502、503、504两两相连；其中所述换热组件101由吸热管及连接管组成，所述的吸热管为内螺纹管，换热能力比光管高40%以上，口径为DN25-DN65，吸热管之间间隙为1-2.5mm，形成整体吸热面，整体吸热面包括10-18片换热组件，管排式对流换热组件1接受的太阳能能流密度为50-500kW/㎡。

所述容积式吸热器2包括吸热腔208、封头206、分流板205、出口导流槽203、壁面冷却器204、复合保温层207以及保温盖板201；所述吸热腔208的底部设有封头206，所述封头206为椭圆封头或碟式封头；封头206的上方设有分流板205，分流板205分为3-5个区域，每个区域均有布流孔及定位板，达到流量分配的目的；所述的吸热腔208为分段结构，上段口径大，下段口径小，上、下段之间为锥形过渡段；所述的出口导流槽203安装在容积式吸热器2的上段顶部附近，出口导流槽203包括6-12个导流槽组件，均匀布置在容积式吸热器2上段圆形外壁面上；所述的壁面冷却器204为盘管式结构，盘管上均匀分布布流孔，壁面冷却器204安装在吸热腔208的锥形过渡段上，对壁面法向照度较高的锥形过渡段进行冷却；所述的复合保温层207敷设在容积式吸热器外壁面，为多层保温结构，其中靠近容积式吸热器外壁面的内层采用纳米棉，外层采用硅酸铝；所述的保温盖板201为两片对开式结构，用滑轮支撑在导轨202上，使用电机驱动，具有自动启闭功能；其中容积式吸热器2接受的太阳能能流密度为50-2000kW/㎡。所述的管排式流换热组件1呈环形布置在容积式吸热器2上方外环区域，与水平吸热面之间呈一定倾角，倾角为30°-60°。

所述的管排式对流换热组件1、容积式吸热器2、冷熔盐罐3以及热熔盐罐4之间通过互联管路系统相连,其中，从冷熔盐罐3至对流换热组件1的熔盐管路有两路，分别是冷熔盐进口总管501及熔盐排空管路515、516，熔盐排空管路515、516上设有熔盐排空阀511、510；管排式对流换热组件1至容积式吸热器2的熔盐管路包括冷熔盐分配管505，所述的冷熔盐分配管505分为两个支路，分别为熔盐分支管路一506进入容积式吸热器2底部和熔盐分支管路二507进入容积式吸热器2上部的壁面冷却器204，从而进入容积式吸热器2的不同区域；所述的熔盐分支管路一506上设有流量分支调节阀512，冷熔盐罐3至容积式吸热器2设置一路熔盐排空管路513，且熔盐排空管路513上设有熔盐排空阀514；容积式吸热器2至热熔盐罐4之间设置一路热熔盐排放管路508；其中熔盐管路所有水平管线坡度至少为3度，吸热器在夜间可通过熔盐管路完全排空。

具体实施时，冷熔盐罐3储存冷熔盐，热熔盐罐4存储热熔盐。日常运行时，容积式吸热器2上的保温盖板201打开，二次反射聚光系统将高倍数太阳能聚焦至对流换热组件1及容积式吸热2；冷熔盐泵301将冷熔盐通过冷熔盐进口管道501自冷熔盐罐3将冷熔盐输送至对流换热组件1，冷熔盐与对流换热组件1进行对流换热升高温度，将二次反射聚光系统投射至对流换热组件1的太阳能转换为熔盐的热能，针对不同的二次反射聚光系统光斑能量分布，冷熔盐经过对流换热组件1的升温幅度可设计为50-150℃。

冷熔盐经对流换热组件1升温后自冷熔盐分配管505进入容积式吸热器2，其中熔盐分支管路一506去往容积式吸热器2底部，经分流板205后，进入吸热腔208内，冷熔盐进口总管501上设置总流量调节阀509，根据太阳能量实时调节进入组合式熔盐吸热器的冷熔盐流量；吸热腔208内部，由分流板205分配熔盐在相应区域的流量，与光斑能流分布相匹配，熔盐在吸热腔208顶部流向出口导流槽203；自冷熔盐分配管505经熔盐分支管路二507流向壁面冷却器204的冷熔盐自壁面冷却器204的布流孔排出后对吸热器壁面进行冷却，降低吸热器壁面超温风险；针对不同的二次反射聚光系统光斑能量分布，熔盐经容积式吸热器2的升温幅度可设计为100-500℃；熔盐经对流换热组件1及容积式吸热器2后，将投射至组合式吸热器上的太阳辐射能转化为热能，成为热熔盐，自热熔盐排放管路508排放至热熔盐罐4；热熔盐罐4顶部安装有热熔盐泵401，通过管路402将热熔盐输送至用热设备。

管排式对流换热组件1至容积式吸热器2设置熔盐排空管路515、516及熔盐排空阀510、511，集热场关场时将流换热组件1内的熔盐排放至容积式吸热器2；容积式吸热器2至冷熔盐罐3设置熔盐排空管路513及熔盐排空阀514，集热场关场时将对流换热组件1及容积式吸热器2内的熔盐排放至冷熔盐罐3，降低冻堵风险。

大规模二次反射聚光系统的光斑特征为中心区域能流密度大，边缘区域能流密度小，光斑直径超过10m，本发明的设计符合二次反射聚光系统光斑的能流分布特征，采用组合式吸热器，分区布置吸热组件，吸热面平均温度低，吸热器的运行效率得到大幅提升；对流换热组件与容积式吸热器相配合，有效降低了吸热器的熔盐装载量，提高了吸热器的动态响应能力，使温度控制更加精确。本发明系统结构简单，温度可控性强，操作安全可靠，适用于具有大规模集热场（热功率50-100MW）的二次反射CSP电站。

以上对本发明的具体实施方式进行了描述，但本发明并不限于以上描述。对于本领域的技术人员而言，任何对本技术方案的同等修改和替代都是在本发明的范围之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (4)

1.一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，该吸热器内设有液体换热工质，其特征在于：包括管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐、热熔盐罐、冷熔盐泵、热熔盐泵以及互联管路系统，所述的管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐和热熔盐罐之间通过互联管路系统相连，其中所述的冷熔盐罐内储存冷熔盐，热熔盐罐内存储热熔盐，所述的冷熔盐罐通过冷熔盐泵将罐内的冷熔盐经冷熔盐进口管道输送到管排式对流换热组件中，冷熔盐与对管排式对流换热组件进行对流换热升高温度，冷熔盐经管排式对流换热组件升温后自冷熔盐总管进入容积式吸热器，熔盐经容积式吸热器升温后，通过热熔盐排放管路排放至热熔盐罐，热熔盐罐顶部安装有热熔盐泵，并通过热熔盐罐出料管将热熔盐输送至用热设备；

所述的管排式对流换热组件呈环形布置在容积式吸热器上方外环区域，与水平吸热面之间呈一定倾角，倾角为30°-60°；

所述容积式吸热器包括吸热腔、封头、分流板、出口导流槽、壁面冷却器、复合保温层以及保温盖板；所述吸热腔的底部设有封头，所述封头为椭圆封头或碟式封头；封头的上方设有分流板，分流板分为3-5个区域，每个区域均有布流孔及定位板，达到流量分配的目的；所述的吸热腔为分段结构，上段口径大，下段口径小，上、下段之间为锥形过渡段；所述的出口导流槽安装在容积式吸热器的上段顶部附近，出口导流槽包括6-12个导流槽组件，均匀布置在容积式吸热器上段圆形外壁面上；所述的壁面冷却器为盘管式结构，盘管上均匀分布布流孔，壁面冷却器安装在吸热腔的锥形过渡段上，对壁面法向照度较高的锥形过渡段进行冷却；所述的复合保温层敷设在容积式吸热器外壁面，为多层保温结构，其中靠近容积式吸热器外壁面的内层采用纳米棉，外层采用硅酸铝；所述的保温盖板为两片对开式结构，用滑轮支撑在导轨上，使用电机驱动，具有自动启闭功能；其中容积式吸热器接受的太阳能能流密度为50-2000kW/㎡；

所述的管排式对流换热组件、容积式吸热器、冷熔盐罐以及热熔盐罐之间通过互联管路系统相连,其中，从冷熔盐罐至管排式对流换热组件的熔盐管路有两路，分别是冷熔盐进口总管及熔盐排空管路，熔盐排空管路上设有熔盐排空阀；管排式对流换热组件至容积式吸热器的熔盐管路包括冷熔盐分配管，以及熔盐分支管路一，进入容积式吸热器底部，熔盐分支管路二，进入容积式吸热器上部的壁面冷却器；冷熔盐罐至容积式吸热器设置一路熔盐排空管路，且熔盐排空管路上设有熔盐排空阀；容积式吸热器至热熔盐罐之间设置一路热熔盐排放管路；其中熔盐管路所有水平管线坡度至少为3度，吸热器在夜间可通过熔盐管路完全排空。

2.根据权利要求1所述的一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，其特征在于：所述的管排式对流换热组件包括换热组件和组件间连接管道，所述的换热组件通过组件间连接管道两两相连；其中所述的换热组件由吸热管及连接管组成，形成整体吸热面，整体吸热面包含10-18片换热组件，管排式对流换热组件接受的太阳能能流密度为50-500kW/㎡。

3.根据权利要求2所述的一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，其特征在于：所述的吸热管为内螺纹管，换热能力比光管高40%以上，吸热管口径为DN25-DN65，吸热管之间间隙为1-2.5mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于大规模二次反射聚光系统的组合式熔盐吸热器，其特征在于：所述的液体换热工质为熔盐，熔盐成分为硝酸盐或碳酸盐或氯盐或混合盐，熔盐的使用温度范围为200℃～1000℃。