CN111829197A - 一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于太阳能热发电领域的一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，吸热器顶部装有粒子储料槽（1），颗粒（3）自上而下沿吸热器（2）流动。吸热器底部有布风室（4），颗粒从布风室侧面流出，空气自下而上流动，从顶部空气出流段（12）流出。吸热器气固体系逆向流动，颗粒无序碰撞，传热系数大、混合度高。通过控制气体流量调节颗粒下降速度和有效停留时间。此外，空气自下而上流动过程先吸热后对颗粒放热，可以减少流出系统的能量损失。本发明一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器具有操控性强、壁面与颗粒的传热系数高、热损失小的特点，展现了良好的应用前景。

Description

一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器

技术领域

本发明属于太阳能热发电领域，特别涉及一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器。

背景技术

太阳能是作为清洁高效的可再生能源，近年来在我国太阳能资源丰富的地区获得了广泛采用。塔式太阳能热发电技术因集热效率高、热功转换效率高、系统综合效率高、成本降低空间大，以及适合大规模应用等优点，代表了聚焦型太阳能热发电技术的发展趋势。塔式太阳能电站主要由定日镜场、吸热器、储热系统和汽轮发电机组所组成，其中吸热器系统作为实现太阳能向热能转换的关键部件，保证其高性能安全运行是太阳能热发电研究与应用的重要环。

传统太阳能吸热器多采用二元硝酸盐(NaNO3-KNO3，也被称为太阳盐)作为传热介质，当工作温度超过550℃时，太阳盐的化学惰性减弱，易分解腐蚀金属管壁，当温度低于250℃时，熔盐凝固，影响系统安全运行，需启动伴热系统。为提高太阳能热发电效率，降低发电成本，研究新型高温太阳能吸热器结构尤为重要。近年来，国内外学者先后提出了多种高温吸热器结构：中科院电工所提出的固体颗粒堆积床式空气吸热器，其目的是为了加热高温空气，但存在能量存储问题；北京化工大学研究的水平式粒子高温粒子吸热器，其结构为狭长矩形通道，粒子不容易实现塔式吸热器结构，而且常伴有热应力问题；法国研究人员提出了悬浮上升式鼓泡流化床粒子吸热器，粒子在空气流化的作用下悬浮上升，但是在上升过程中很容易出现气栓现象，从而堵塞粒子上升；美国桑迪亚实验室发明的下降粒子帘式吸热器，这种结构可以直接接收太阳辐射，辐射损失小，但是粒子在重力的作用下加速下落，很难保证粒子充分的吸热时间，因此粒子出口温度较低。综上所述，虽然目前的太阳能吸热器多种多样，都有其各自优点，但运行过程中总会出现其固有的缺陷。

本发明总结前人研究的基础上，提出一种新型塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，可以兼具集热和储热功能，克服了熔融盐吸收太阳能方法短板，提高了集热温度和后续换热效率。本发明的效益效果在于：1、增加粒子在吸热器内的停留时间，获得较高的粒子出口温度；2、气固逆向流动，增加粒子与粒子和粒子与壁面之间的碰撞频率，增加粒子与管壁的传热性能；3、太阳能非均匀辐射能流容易使管壁温度分布均匀，常出现局部超温现象。该吸热器结构使管内粒子混合度较高，有效缓解由于非均匀辐射能流带来的管壁局部超温；4、粒子下降速度通过布风空气量控制，调节灵活；5、吸热器内部气固两相逆向流动，空气温度呈先增加后减小的过程，具有较小的空气进出口温差，减少了吸热器的能量损失。

发明内容

一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于，所述吸热器由粒子槽1、吸热器管2、固体吸热颗粒3、布风室4、吸热器出口段5以及相连接管路阀门组成。固体粒子从粒子槽1内进入，自上而下流动，受热后的高温粒子由吸热器出口段5流出进入热粒子储罐。空气通过空气进口总管7进入底部布风室4，然后进入管内自下而上与粒子形成逆向流动，后从吸热器顶部出流段12排出。

所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于吸热器管2采用合金耐高温金属材料。粒子下落过程，固相体积份额为25%-55%，颗粒直径为μm或mm级别的耐高温粒子；粒子形状为近球颗粒，减少颗粒和构件磨损。

所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于布风室4位于吸热器管底部中心位置，布风室投影面积与吸热器管横截面积比1/4~3/4，具体根据颗粒性质和运行参数而定。为保证布风均匀，采用弧形布风板或梯形布风板，布风板上均匀开口，开口方向为布风板法向方向；粒子下降速度通过布风空气量调节；顶部空气出流口为网筛结构，允许空气流过网口，通过设定网口大小限定颗粒通过。

所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于吸热器管束环形布置于塔顶四周或以墙式结构布置于腔式吸热器内部，粒子槽1根据吸热器管束排列方式不同呈环形或者线形结构。

所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于粒子和空气采用分区控制方法。吸热器布风管道6连通到各区段空气分配联箱8，且每根布风管道6上装有风量计和节流阀，便于布风控制。吸热器出口段5连通出口粒子各区段粒子储箱9。

附图说明

图1为单根逆流式高温粒子吸热器工作原理图。

图2为吸热器管束布置方式示意图，其中a为外置式、b为腔式。

图3为布风室装置二维示意图，其中a为弧形布风板结构、b为梯形布风板结构。

图4为外置式吸热器气固流程分布图，其中a为空气布气方式、b为粒子流程。

图5为腔式吸热器气固流程分布图，其中a为空气布气方式、b为粒子流程。

具体实施方式

本发明提出一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，下面结合附图予以说明。

图1所示为本发明一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，该吸热器由粒子槽1、吸热器管2、固体吸热颗粒3、布风室4、颗粒出口段5、空气出口段12以及相连接管路和阀门组成。吸热器安装于吸热塔顶部，分为两种结构形式，一种为塔顶外置式吸热器管束布置方式如图2a所示，一种为塔顶腔式吸热器管束布置方式如图2b所示。运行过程，固体颗粒3从低温粒子储箱进入吸热器粒子槽1，在重力的作用下沿着吸热器管2下落，吸收太阳能传递给金属管壁的热能。吸热器底部进行均匀布风，通过送风系统将空气送入布风室4，其中布风板为弧形结构或梯形结构，出风口为布风板平面法向方向，如图3所示。流化空气从布风室4进入吸热器管2后与下降固体颗粒3形成逆向流动，从而使固体颗粒缓慢无规则下落，颗粒从吸热器出口段5排入粒子储罐9，空气从顶部出口段12排入大气。由于布风室4的结构布置，吸热器出口段截面变窄，粒子流动阻力增大，更加延缓了粒子在管内的停留时间。空气以鼓泡的形式上升，最后由吸热器顶部排出。气固两相逆向流动过程中，固体颗粒3可以获得较高的出口粒子温度和吸热器效率。空气进出口温差较小，也减小了流出吸热器的能量损失。固体粒子和流化空气采用分区调节的方式，图4和图5分别为外置式吸热器和腔式吸热器气固流程图，其中符号①-⑨示意性地给出了分区标识。以图4外置式吸热器管束结构为例说明气固流程，其中图4a为空气流程图，图4b为固相流程图。空气依次进入空气进口总管7、空气分配联箱8、吸热管进风管道6、布风室4。吸热管进风管道6内安装有节流阀11，控制进入布风室4的空气流量。布风室4内的空气沿着布风板孔进入吸热器管2，从而流化管内固体颗粒3，最后由吸热器管顶部出口段12排出。固体颗粒3由粒子槽1依次进入吸热器管2、吸热器出口段5、出口粒子储箱9，最后汇集到高温粒子储罐10，完成粒子循环。

Claims (5)

1.一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于，所述吸热器由粒子槽（1）、吸热器管（2）、固体吸热颗粒（3）、布风室（4）、颗粒出口段（5）、空气出流段（12）以及相连接管路阀门组成；固体粒子从粒子槽（1）内进入，自上而下流动，受热后的高温粒子由吸热器出口段（5）流出进入热粒子储罐；空气通过空气进口总管（7）进入底部布风室（4），然后进入吸热器管（2）内，自下而上与粒子形成逆向流动，后从吸热器顶部出流段（12）排出。

2.根据权利要求1所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于吸热器管（2）采用合金耐高温金属材料；粒子下落过程，固相体积份额为25%-55%，颗粒直径为μm或mm量级，颗粒可耐1000℃以上高温；为减少颗粒与颗粒以及颗粒与壁面磨损，颗粒形状为近球形。

3.根据权利要求1所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于布风室（4）位于吸热器管底部中心位置，布风室投影面积与吸热器管横截面积比1/4~3/4，具体根据颗粒性质和运行参数而定；为保证布风均匀，采用弧形布风板或梯形布风板，布风板上均匀开口，开口方向为布风板法向方向；粒子下降速度以及颗粒浓度通过调节布风进行控制；顶部空气出流口为网筛结构，允许空气流过网口，通过设定网口大小限定颗粒通过。

4.根据权利要求1所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于吸热器管束环形布置于塔顶四周或以墙式结构布置于腔式吸热器内部，粒子槽（1）根据吸热器管束排列方式不同呈环形或者线形结构。

5.根据权利要求1所述一种塔式太阳能电站发电用逆流式高温粒子吸热器，其特征在于粒子和空气采用分区控制方法；吸热器布风管道（6）连通到各区段空气分配联箱（8），且每根布风管道（6）上装有风量计和节流阀，便于布风控制；吸热器出口段（5）连通出口粒子各区段粒子储箱（9）。

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