CN109682096A - 基于固体颗粒的太阳能储热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于固体颗粒的太阳能储热系统，包括：吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓，吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓通过管道首尾顺次连接并形成储热回路。本发明提供的太阳能储热系统，利用固体颗粒吸收太阳光束的热量，并储存在高温颗粒储料仓中，经过流化床换热装置与工质进行热交换，将工质加热到高温高压状态，可实现太阳能的高效储热和利用。
Description
技术领域
本发明实施例涉及太阳能开发技术领域，更具体地，涉及一种基于固体颗粒的太阳能储热系统。
背景技术
随着地球上每小时接收到的太阳能辐照量超过了人类每年所消耗的能量，占全球能源预算90％的热能都直接或间接来自太阳光。因此，太阳能作为全球基础能源供应具有其他可再生能源和化石能源无法比拟的优势。因此，开发新型、高效、大规模的太阳能利用技术势在必行。集中型的太阳能发电技术和传热技术是未来太阳能规模化利用的重要发展方向，凭借聚光装置将太阳能热量聚集，通过热载体将热量传递，可实现太阳能的有效捕获、储存和使用。
目前，对于太阳能发电和发热技术中，塔式光热技术近年来备受关注，相比于其他光热技术，具备高热效率、高聚光比和受地形限制小等优势。为提高热电转化效率，未来塔式光热技术的最佳优化方向是获取更高的储热温度，选择合适的传热储热介质是塔式光热技术实现高储热温度的关键。
现有接收器中的传热储热介质主要采用水/水蒸气为热载体，水在接收器内受热蒸发变成水蒸气，水蒸气继续吸热成为高温高压的过热蒸汽，从而进入汽轮机使热能转换为电能。水/水蒸气接收器适用结构类型主要为管状，具体又可分为腔管式和外露式，但是不论哪种形式，都存在吸热管温差大、影响接收器寿命的问题。同时蒸汽作为工质其传热性储能效果不佳，温度基本在100～600℃，且高温带来管内压力过大等难题进一步限制了该技术的发展。
此外，空气接收器和水/水蒸气接收器相同点是具有无污染、无腐蚀、不可燃、易得到、易处理等优点，并且空气接收器不存在系统腐蚀问题，结构简单。但空气用作传热介质的缺点是热容量低和传热特性较差，无法满足高温下高传热性能的需求。
熔融盐接收器的传热性能及储热性能均优于水蒸气和空气。据统计，全球约有一半的塔式太阳能发电系统采用熔融盐传热储热，对于熔盐物性、热稳定性和熔盐腐蚀等方面的研究也一直在进行，但其应用于塔式发电系统依然存在问题：一是由于熔融盐的不稳定性，高温容易发生热分解反应，最高使用温度不能满足未来先进高温太阳能热发电(800～1000℃)的需求；二是熔融盐凝固点高，在低温时容易固化，容易堵塞管道，限制了使用的温度范围，并且粘性会随着温度的变化发生改变，增加了泵送功率；三是熔融盐对储存装置材料技术要较高，装置成本高。
为克服熔融盐存在的问题，高温接收器需要发展新的接收器材料和传热和储热介质。固体粒子接收器是一种新的接收器型式，利用微小的固体颗粒作为传热和储热介质接收定日镜反射聚焦的太阳能，可使接收器达到所需的高温状态，为塔式接收器提供了一个新的发展方向。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明实施例的目的是提供一种基于固体颗粒的太阳能储热系统，以解决现有的塔式光热装置中热效率低、成本高的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于固体颗粒的太阳能储热系统，包括：吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓，所述吸收塔组件用于吸收太阳光束的热量；
所述吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓通过管道首尾顺次连接并形成储热回路，所述吸收塔组件内布置固体颗粒以吸收所述太阳光束的热量，所述固体颗粒在所述储热回路中循环流动；
所述流化床换热装置设有工质入口通道和工质出口通道，待加热的气体工质在所述流化床换热装置内与所述固体颗粒进行热交换。
优选地，所述吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓依次设置。
优选地，所述吸收塔组件设有颗粒入口通道与颗粒出口通道；所述高温颗粒料仓设有高温储料入口通道与高温储料出口通道；所述流化床换热装置设有换热入口通道与换热出口通道；所述低温颗粒料仓设有低温储料入口通道与低温储料出口通道；
所述颗粒入口通道、颗粒出口通道、高温储料入口通道、高温储料出口通道、换热入口通道、换热出口通道、低温储料入口通道以及低温储料出口通道通过所述管道首尾顺次连接。
优选地，所述吸收塔组件依次设有：颗粒漏斗、加热腔室和颗粒收集室，所述固体颗粒经颗粒漏斗后进入加热腔室吸热，再进入颗粒收集室，各组件的进出口位置可根据流动与传热的需求布置；
所述加热腔室内设有换热面或吸收管束，所述换热面或吸收管束用于吸收所述太阳光束的热量，壁面涂覆光谱选择性吸收涂层，且换热材料耐温高于700℃，所述固体颗粒在加热腔室内与换热面或吸收管束进行热交换。，具体流动式可以是顺重力场或逆重力场，包括但不限于自由下落、阻塞下落、鼓泡流态化、湍动流态化或快速循环流态化。
优选地，所述流化床换热装置包括：流化床换热器本体、辅助风机、气固分离装置、流化气体入口通道和流化气体出口通道，所述工质入口通道、工质出口通道、流化气体入口通道以及流化气体出口通道分别与所述流化床换热器本体连接，所述辅助风机装设在所述流化气体入口通道内，所述气固分离装置装设在所述流化气体出口通道内。
优选地，所述高温颗粒仓与所述流化床换热装置之间的管道上设有颗粒节流阀。
优选地，还包括颗粒冷却仓，所述颗粒冷却仓装设在所述流化床换热装置与所述低温颗粒料仓之间的管道上。
优选地，所述低温颗粒料仓与所述吸收塔组件之间的管道上设有颗粒循环装置。
优选地，所述流化床换热装置耐温高于560℃且耐压高于23MPa；所述固体颗粒的直径为0.06～2mm，其熔点高于800℃。
(三)有益效果
本发明提供的基于固体颗粒的太阳能储热系统，利用固体颗粒吸收太阳光束的热量后，与待加热的工质进行热交换，从而将热量传递给工质，由于固体颗粒储热性能稳定，可以在常压或低压的情况下吸收高于600℃的热量并储存在高温储料仓中，进而可以使得经过流化床换热装置的工质获得560℃以上乃至上千摄氏度的高温，从而实现太阳能的高温传热，而且传热效率高。
固体颗粒传热储热介质能够实现高温下的高性能和低成本，满足了高热电转化效率需要的热源温度。采用气固悬浮体系是固体颗粒传热储热系统的一种重要方式，通过流化来控制质量流速并因此增加传热时间，增加换热效率。相比于目前广泛采用的熔融盐系统，气固悬浮体系在热电转化效率、一次性投资和运行维护费用几个方面具有显著的优势。此外，基于气固悬浮体系的传热储热系统还可与储热供暖、储热发电和空气储能等技术相结合，具有广阔的发展前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于固体颗粒的太阳能储热系统的连接示意图；
图中：
1-吸收塔组件；2-高温颗粒料仓；3-流化床换热装置；4-颗粒冷却仓；5-低温颗粒料仓；6-颗粒循环装置；7-颗粒节流阀；101-颗粒漏斗；102-加热腔室；103-颗粒收集室；104-吸收束管；301-流化气体入口通道；302-流化气体出口通道；303-气固分离装置；304-辅助风机；305-工质入口通道；306-工质出口通道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参考图1所示，本发明实施例提供一种基于太阳能的传热与储热系统，利用固体颗粒吸收太阳光束的热量后与气体工质进行热交换，从而实现传热功能。固体颗粒的直径一般为0.006mm～2mm，其熔点高于800℃，本实施例可选用石英砂作为固体颗粒。所述传热与储热系统具体包括：吸收塔组件1、高温颗粒料仓2、流化床换热装置3、低温颗粒料仓5，吸收塔组件1用于吸收由定向日镜场反射的太阳光束的热量。其中，定向日镜场反射可将太阳光反射形成定向的太阳光束。
根据固体颗粒流动的具体需求，吸收塔组件1、高温颗粒料仓2、流化床换热装置3和低温颗粒料仓5可依次设置，并通过管道首尾顺次连接，以形成储热回路。具体地，吸收塔组件1设有颗粒入口通道与颗粒出口通道；高温颗粒料仓2设有高温储料入口通道与高温储料出口通道；流化床换热装置3设有换热入口通道与换热出口通道；低温颗粒料仓5设有低温储料入口通道与低温储料出口通道，各组件的进出口位置可根据流动与传热的需求布置。将颗粒入口通道、颗粒出口通道、高温储料入口通道、高温储料出口通道、换热入口通道、换热出口通道、低温储料入口通道以及低温储料出口通道通过管道首尾顺次连接，从而形成所述储热回路。
在上述实施例中，置于吸收塔组件1内的固体颗粒吸收太阳光束的热量后，在储热回路中循环流动。高温颗粒料仓2采用耐温600℃以上且具有较好的耐磨特性的材质制作而成。流化床换热装置由耐温560℃以上且耐压23MPa以上的耐磨材料制成，可选用耐高温的合金材料。由于流化床换热装置3设有工质入口通道305和工质出口通道306，工质入口通道305和工质出口通道306可设置在流化床换热装置3的侧边，固体颗粒从流化床换热装置3的顶部进入，从流化床换热装置3的底部流出。待加热的工质从工质入口通道305流入，工质与高温的固体颗粒进行热交换后从工质出口通道306流出。固体颗粒进行热交换后温度降低，并最终进入低温颗粒料仓5中。低温颗粒料仓5中的固体颗粒在储热过程中，可通过颗粒循环装置6运送至吸收塔组件1中，颗粒循环装置6可以为泵送机构或者传输机构，其作用是将固体颗粒物的运送至吸收塔组件1。
在上述实施例中，吸收塔组件1的结构具体包括：依次设置的颗粒漏斗101、加热腔室102和颗粒收集室103，颗粒收集室103通过管道与高温颗粒料仓2连通。固体颗粒从颗粒漏斗101进入加热腔室102中吸热后在颗粒收集室103中汇集，以便后续使用。当然，各组件的设置位置可根据流动与传热的需求布置，以实现不同形式的热交换。
具体地，加热腔室102内设有换热面或吸收管束，以吸收管束为例，吸收管束104置于加热腔室102内，其用于吸收太阳光束的热量。固体颗粒在加热腔室102内与吸收管束104进行热交换，具体流动方式可以是顺重力场或逆重力场，包括但不限于自由下落、阻塞下落、鼓泡流态化、湍动流态化或快速循环流态化。吸收管束104由封闭腔体组成，其可由耐温700℃以上的材料制成，一般选用合金材料。根据实际需要，吸收管束可以为多根，且多根吸收管束平行设置在加热腔室102内。此外，每根吸收管束104的壁面涂覆有光谱选择性吸收涂层，光谱选择性吸收涂层用于提高对太阳光束热量的吸收效果。
由定日镜场产生的太阳光束从吸收管束104的轴向照射到吸收管束104内，被吸收管束104内的光谱选择性吸收涂层吸收，热量通过吸收管束104的管壁直接传递给流过管束外自颗粒漏斗101流至颗粒收集室103的固体颗粒流，加热后的固体颗粒进入颗粒收集室103，颗粒收集室103的高温颗粒进入高温颗粒料仓2内进行储存，从而完成储热过程。由于固体颗粒在储热回路中循环流动，当其经过流化床换热装置3时与待加热的工质进行热交换，完成传热过程。换热后冷却的固体颗粒进入低温颗粒料仓5。
上述实施例中的颗粒循环装置6具体装设在低温颗粒料仓5与颗粒漏斗101之间的管道上，由颗粒循环装置6运送来的固体颗粒首先进入颗粒漏斗101中。对于不同强度的太阳光束，可通过颗粒漏斗101实现固体颗粒流量的调节，从而保证固体颗粒的充分受热，防止流量过大时吸热不足而造成达不到所要求的温度。
本发明实施例提供的太阳能传热系统，利用固体颗粒吸收太阳光束的热量后，与待加热的工质进行热交换，从而将热量传递给工质，由于固体颗粒储热性能稳定，可以在常压或低压的情况下吸收高于600℃的热量并储存在高温储料仓中，进而可以使得经过流化床换热装置的工质获得560℃以上乃至上千摄氏度的高温，从而实现太阳能的高温传热，而且传热效率高。
在上述各实施例的基础上，流化床换热装置3包括：流化床换热器本体、气固分离装置303、辅助风机304、流化气体入口通道301和流化气体出口通道302，工质入口通道305、工质出口通道306、流化气体入口通道301以及流化气体出口通道302分别与流化床换热器本体连接，但工质入口通道305和工质出口通道306与流化气体入口通道301以及流化气体出口通道302的流动路径不交叉且互不影响。流化气体入口通道301以及流化气体出口通道302与固体颗粒的换热入口通道和换热出口通道连通，一般地，流化气体入口通道301设置在流化床换热器本体的下部，流化气体出口通道302设置在流化床换热器本体的上部，用于使固体颗粒呈流化态的气体从流化气体入口通道301进入流化床换热器本体，并与固体颗粒充分混合并使之呈流化态，流化气体最后从流化气体出口通道302流出，以提高换热效果。
其中，气固分离装置303装设在流化气体出口通道302内，实现高效的气固分离，减少因固体颗粒排除造成的损失。气固分离装置303具体可采旋风分离器等。辅助风机304装设在流化气体入口通道301内。辅助风机304可提供足够压差(1～20kPa)和气体流速(0.1～10m/s)，使得流化床换热装置3内形成气固流态化，包括但不限于鼓泡、湍动、快速循环等流态化形式。
在上述各实施例中，为了便于控制固体颗粒进入流化床换热装置3内的流量，在高温颗粒仓2与流化床换热装置3之间的管道上装设颗粒节流阀7，通过颗粒节流阀7实现流量控制，从而可根据工质的流量和需要达到的温度进行调节。
在上述各实施例的基础上，当太阳光束能量强度较高时，固体颗粒吸收的热量较大，温度较高，即使与待加热的工质换热后其温度仍然较高，因此需要增设颗粒冷却仓4作为一个冷却的缓冲区，颗粒冷却仓4装设在流化床换热装置3与低温颗粒料仓5之间的管道上，固体颗粒经冷却后再进入低温颗粒料仓5中，由于低温颗粒料仓5所能承受的温度不高，避免温度过高的温度对低温颗粒料仓5造成破坏，从而影响使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于固体颗粒的太阳能储热系统，其特征在于，包括：吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓，所述吸收塔组件用于吸收太阳光束的热量；
所述吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓通过管道首尾顺次连接并形成储热回路，所述吸收塔组件内布置固体颗粒以吸收所述太阳光束的热量，所述固体颗粒在所述储热回路中循环流动；
所述流化床换热装置设有工质入口通道和工质出口通道，待加热的气体工质在所述流化床换热装置内与所述固体颗粒进行热交换。
2.根据权利要求1所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述吸收塔组件、高温颗粒料仓、流化床换热装置和低温颗粒料仓依次设置。
3.根据权利要求2所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述吸收塔组件设有颗粒入口通道和颗粒出口通道；所述高温颗粒料仓设有高温储料入口通道和高温储料出口通道；所述流化床换热装置设有换热入口通道和换热出口通道；所述低温颗粒料仓设有低温储料入口通道和低温储料出口通道；
所述颗粒入口通道、颗粒出口通道、高温储料入口通道、高温储料出口通道、换热入口通道、换热出口通道、低温储料入口通道以及低温储料出口通道通过所述管道首尾顺次连接。
4.根据权利要求3所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述吸收塔组件依次设有：颗粒漏斗、加热腔室和颗粒收集室，所述固体颗粒从所述颗粒漏斗进入所述加热腔室中吸热后在所述颗粒收集室中汇集；
所述加热腔室内设有换热面或吸收管束，所述换热面或吸收管束用于吸收所述太阳光束的热量，所述换热面或吸收管束的表面涂覆有光谱选择性吸收涂层，且所述换热面或吸收管束的耐温高于700℃，所述固体颗粒在所述加热腔室内与所述换热面或吸收管束进行热交换，具体流动式可以是顺重力场或逆重力场，包括但不限于自由下落、阻塞下落、鼓泡流态化、湍动流态化或快速循环流态化。
5.根据权利要求1至4中任一所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述流化床换热装置包括：流化床换热器本体、辅助风机、气固分离装置、流化气体入口通道和流化气体出口通道，所述工质入口通道、工质出口通道、流化气体入口通道以及流化气体出口通道分别与所述流化床换热器本体连接，所述辅助风机装设在所述流化气体入口通道内，所述气固分离装置装设在所述流化气体出口通道内。
6.根据权利要求5中所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述辅助风机用于使所述流化床换热装置形成气固流态化，所述气固流态化的形式包括鼓泡、湍动或者快速循环。
7.根据权利要求1至4中任一所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述高温颗粒仓与所述流化床换热装置之间的管道上设有颗粒节流阀。
8.根据权利要求1至4中任一所述的太阳能储热系统，其特征在于，还包括：颗粒冷却仓，所述颗粒冷却仓装设在所述流化床换热装置与所述低温颗粒料仓之间的管道上。
9.根据权利要求1至4中任一所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述低温颗粒料仓与所述吸收塔组件之间的管道上设有颗粒循环装置。
10.根据权利要求1至4中任一所述的太阳能储热系统，其特征在于，所述流化床换热装置耐温高于560℃且耐压高于23MPa；所述固体颗粒的直径为0.06mm～2mm，其熔点高于800℃。
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