CN111854193A - 一种集成的太阳能接收器-多级蓄热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成的太阳能接收器‑多级蓄热系统，该系统应用于下射式CSP系统，将腔式接收器和多级蓄热填充床集成，避免了单独的蓄热器和接收器模块，减少了连接管道的使用，优化了系统整体设计，缩减了系统初投资成本。充放热过程中均利用循环空气管道加强填充床内的换热效果，更是采用填充床内多级蓄热的方法提高了系统换热效率。该系统所输出的热空气可供给用户使用，或者并入其他系统起辅助作用，具有经济、安全和稳定的多种优势。

Description

一种集成的太阳能接收器-多级蓄热系统
技术领域
本发明涉及集中式太阳能（CSP）技术，具体涉及一种应用于下射式CSP系统的集成太阳能接收器-多级蓄热系统。
背景技术
带有蓄热单元的集中式太阳能发电（CSP）系统可以提供可调度的能量，是未来CSP系统技术发展的主要方向。目前针对如何高效低成本运行此类系统，相关科研人员已展开大量的研究工作，但是研究重点放在了蓄热系统的结构和蓄热介质等上，将接收器和蓄热器集成的研究较少。
最早关于集成太阳能接收器-蓄热系统的研究中，以熔融盐为蓄热介质，集中的太阳光照射熔融盐，熔融盐直接吸热并储存热量，由此简化了系统整体设计，减少了系统运行复杂性，有效提高了系统换热效率。也有利用岩石填充床作为蓄热介质，空气作为传热流体的集成太阳能接收器-蓄热系统，充分发挥了显热储存原料来源广成本低，无腐蚀或有害成分和直接传热模式的优点。但是单一的储热介质使得系统换热效率受限，因此研究一种采用多级蓄热方法的集成的太阳能接收器-多级蓄热系统，对于提高系统换热效率具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种应用于下射式CSP系统的能够将接收器和蓄热器集成的装置，该装置能够接收太阳光线将太阳能转化为热能，同时起到储存热量的作用。
为达到上述目的，本发明所述的集成的太阳能接收器-多级蓄热系统，即将腔室吸热器和多级蓄热填充床集成。系统被定位于下射式反射镜的焦点处，采用了部分埋于地下的圆柱体设备，以地面水平线划分，地面以上部分为腔式接收器，地面以下部分为多级蓄热填充床，二者相连直接接触。
腔式接收器顶端有一锥形孔径并安装了复合抛物面聚光器（CPC），同时配有遮住孔径的盖子。接收器四周侧面一定高度下有四个均匀分布的空气出口，并设置阀门。四周及顶部外壳涂敷绝缘材料。
多级蓄热填充床填充材料分为三级，第一级为多孔介质材料，第二级为PCM相变材料，第三级为混合岩石材料。第一级直接暴露于腔室接收器中，第二、三级依次向下排列。考虑成本和后期维护问题，三级材料在多级蓄热填充床的占比为，第三级大于第二级，第二级大于第一级。在外壳敷设隔热材料和混凝土材料。
多级蓄热填充床底部安置金属网格以减小同一水平截面气流速度的不均匀性，下接空气进出管道和风机M1。第三级蓄热介质处引出循环空气进出管道，利用风机M2使部分热空气回流至腔体内，用于加强床内的空气换热效果，并设置阀门。M1和M2的功率决定于系统规模和传热流体的温度。
这种集成的太阳能接收器-多级蓄热系统将接收器和蓄热系统结合起来，经过集中的太阳光线直接照射多级蓄热填充床，将能量存储于其中，不需要将热量输送至单独的蓄热器。因此不需要安装换热器及相关连接管道，可以大幅降低成本，更重要的是多级蓄热介质相比单一蓄热介质储热性能更好，提高了系统稳定性和传热效率。系统所得的热空气可以供给用户使用，或处理后送入其他设备。
附图说明
图1是本发明的主视图。
附图标记：1、复合式抛物面聚光器（CPC）；2、腔式接收器外壳；3、循环空气进出管道；4、风机M2；5、多级蓄热填充床外壳；6、风机M1；7、空气进出管道；8、金属网格；9、多级蓄热填充床；10、空气出口；11、腔式接收器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参考图1，本发明所述的集成的太阳能接收器-多级蓄热系统包括复合式抛物面聚光器（CPC）1、多级蓄热填充床9及腔式接收器11，复合式抛物面聚光器（CPC）1定位于腔式接收器11的顶端锥形孔径，并有相应的遮住孔径的盖子。多级蓄热填充床9和腔式接收器11直接相连，二者绝缘层分别为腔式接收器外壳2和多级蓄热填充床外壳5。
腔式接收器11侧面一定高度下均匀分布四个空气出口11（安装阀门），均匀分布四个循环空气进出管道3，其中循环空气进出管道3将腔式接收器11和多级蓄热填充床9的第三级蓄热介质连通起来，同时设置阀门和风机M2（4）。
多级蓄热填充床9由三级蓄热介质组成，第一级向第三级依次向下排列，底部中心安置金属网格，下端安置空气进出管道7和风机M1（6）。
工作过程分为蓄热和放热两个过程。蓄热的具体过程为：该过程中，空气出口10的阀门关闭，循环空气进出管道3的阀门打开。太阳光线经过定日镜场和下射式反射镜反射直接照射进入复合式抛物面聚光器（CPC）1及腔室吸热器11，多级蓄热填充床9从顶端向下的三级蓄热介质逐渐被加热，当空气流经多级蓄热填充床9时又被蓄热介质加热。多级蓄热填充床9底部利用风机M1（6）将床内的热空气不断抽出，系统呈现负压状态，因此接收器孔径处不断吸入冷空气进入多级蓄热填充床9受热，系统不断输出热空气，由此形成循环。风机M2（4）通过循环空气进出管道3，将已加热至一定温度的空气从第三级蓄热介质处抽取一部分回流至腔式吸热器11，增强多级蓄热填充床9内的换热效果。经过白天太阳光照射，床内温度不断升高，蓄热热量达到饱和，而空气进出管道7所得热空气可送至用户侧或其他设备。
放热的具体过程为：该过程中，腔式接收器11顶部孔径用盖子盖住，循环空气进出管道3的阀门打开，空气出口10的阀门打开。由于多级蓄热填充床9在白天已经储存足够热量，风机M1（6）通过空气进出管道7以反方向将夜晚的冷空气送回多级蓄热填充床9，冷空气在多级蓄热填充床9内被有效加热至一定温度，通过腔式接收器11侧面四周的四个空气出口10流出。腔式接收器11处部分空气可进入循环空气进出管道3流至第三级蓄热介质处再次被加热，增强床内空气换热效果。空气出口10所得热空气可送至用户侧或其他设备。
集成的太阳能接收器-多级蓄热系统将接收器和蓄热系统结合起来，经过集中的太阳光线直接照射多级蓄热填充床，将能量存储于其中，不需要将热量输送至单独的蓄热器。因此不需要安装换热器及相关连接管道，可以大幅降低成本，更重要的是多级蓄热介质相比单一蓄热介质储热性能更好，提高了系统稳定性和传热效率。系统所得的热空气可以供给用户使用，或处理后送入其他设备。

Claims (6)

1.一种集成的太阳能接收器-蓄热系统，包括复合式抛物面聚光器（CPC）、多级蓄热填充床及腔式接收器，其特征在于：复合式抛物面聚光器（CPC）设置在腔式接收器的顶端锥形孔径中，腔式接收器内下端设置有多级蓄热填充床，所述的腔式接收器侧面一定高度下均匀分布四个空气出口，所述的空气出口上安装有阀门，均匀分布四个循环空气进出管道，其中循环空气进出管道将腔式接收器和多级蓄热填充床的第三级蓄热介质连通起来，同时设置阀门和风机，所述的腔室接收器和多级蓄热填充床均采用绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的一种集成的太阳能接收器-蓄热系统，其特征在于：所述的多级蓄热填充床填充材料分为三级，第一级为PCM1相变材料，第二级为PCM2相变材料，第三级为混合岩石材料；所述的第一级直接暴露于腔室接收器中，第二、三级依次向下排列。
3.根据权利要求2所述的一种集成的太阳能接收器-蓄热系统，其特征在于：三级材料在多级蓄热填充床的占比为，第三级大于第二级，第二级大于第一级。
4.根据权利要求1所述的一种集成的太阳能接收器-蓄热系统，其特征在于：多级蓄热填充床底部安置金属网格下接空气进出管道和风机。
5.根据权利要求1所述的一种集成的太阳能接收器-蓄热系统，其特征在于：所述的腔式接收器为被定位于下射式反射镜的焦点处，采用了部分埋于地下的圆柱体设备，以地面水平线划分，地面以上部分为腔式接收器，地面以下部分为多级蓄热填充。
6.根据权利要求1所述的一种集成的太阳能接收器-蓄热系统，其特征在于：所述的复合式抛物面聚光器上设置有大小与之相匹配的盖子。
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