CN112728776B - 一种外接式颗粒吸热器及太阳能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外接式颗粒吸热器及太阳能发电系统，设置一内部设有颗粒通道和工质通道的颗粒换热器，同时设置一吸热管组与工质通道的两端连通形成循环管路，工质通道与颗粒通道传热接触，由吸热管组内的相变工质吸热并蒸发为气态的相变工质后，进入工质通道与颗粒通道内的冷颗粒进行换热并冷凝为液态的相变工质流回吸热管组。而被加热的热颗粒则可由颗粒通道的输出端输出至下一外部设备。通过设置液相相变工质为中间换热介质，蒸发后将热量传递给颗粒并使得颗粒升至所需的温度，具备较高的效率，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。同时，颗粒技术价格低廉且有更高的吸热温度，在吸热效率相同的情况下，可大幅降低光热电站度电成本。

Description

一种外接式颗粒吸热器及太阳能发电系统

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种外接式颗粒吸热器及太阳能发电系统。

背景技术

太阳能是一种绿色可持续的清洁能源，因而可能成为一种未来理想的主力能源。太阳能热发电由于配套大规模廉价储能技术，因此电力输出平滑稳定可调度，具有广泛的应用前景。

固体颗粒吸储热技术是一种新型太阳能吸储热技术，是第三代塔式光热发电研究的主流技术之一，其主要优势体现在：固体颗粒可以同时满足吸热、传热和储热的需求；颗粒的成本较低；颗粒吸热温度高，可达1000℃；颗粒的存储和输送不需要采用价格高昂的金属材料，降低了设备成本。

根据太阳能加热颗粒的方式，颗粒吸热器可以分为直接加热式和间接加热式。颗粒换热依赖于导热，因此换热效率偏低，导致间接加热式吸热器的热效率较低。因此，现有的主流技术是利用太阳能直接加热颗粒。直接加热式吸热器最理想的结构为腔式吸热器，但颗粒流量难以控制，导致吸热后的颗粒温度不均匀，影响储换热系统使用。另外，腔式吸热器在吸热效率方面具有一定的优势，但镜场规模扩大后截断效率大幅降低，导致综合热效率反而不存在优势。因此，腔式吸热器适用的电站规模通常较小。

目前熔盐吸热器普遍采用外接式吸热器。相比于腔式吸热器，外接式吸热器综合热效率受镜场规模的影响较小，适用于更大装机规模光热电站，单位规模的投资成本也较低。另外外接式吸热器也更有利于圆镜场布置，提高了土地利用率。

现有的腔式吸热器吸热效率在50%~85%之间，截断效率只有80%左右，综合热效率约为40%~68%。

综上所述，颗粒吸储热技术虽然具有巨大的应用前景，但需要重点解决颗粒综合热效率偏低，颗粒吸热温度的稳定控制及大规模电站应用等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种外接式颗粒吸热器及太阳能发电系统，以解决现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种外接式颗粒吸热器，包括颗粒换热器和吸热管组；

所述颗粒换热器内设有至少一个颗粒通道和至少一个工质通道，且所述工质通道与所述颗粒通道传热接触；

所述吸热管组内填充有相变工质，所述相变工质的蒸发温度高于所述颗粒换热器内流通的颗粒的温度；

所述吸热管组的输出端与所述工质通道的输入端连通；所述吸热管组的输入端与所述工质通道的输出端连通。

本发明的外接式颗粒吸热器，还包括第一汇集部、第二汇集部；

所述第一汇集部设于所述颗粒换热器的一端，所述第一汇集部的输入端与吸热管组的输出端连通，所述第一汇集部的输出端与所述工质通道的输入端连通；所述第二汇集部设于所述颗粒换热器的另一端，所述第二汇集部的输入端与所述工质通道的输出端连通，所述第二汇集部输出端与吸热管组的输入端连通。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述第一汇集部包括第一汇集箱和至少一个气相工质连通管；

所述第一汇集箱设于所述颗粒换热器的上端；所述气相工质连通管的两端分别连通所述第一汇集箱的输出端和相对应的所述工质通道的输入端。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述第二汇集部包括第二汇集箱和至少一个液相工质连通管；

所述第二汇集箱设于所述颗粒换热器的下端；所述液相工质连通管的两端分别连通所述第二汇集箱的输入端和相对应的所述工质通道的输出端。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述工质通道与所述颗粒通道间隔设置；

各所述工质通道之间设置有间隙；相邻的所述工质通道配合所述颗粒换热器的壳体形成所述颗粒通道。

本发明的外接式颗粒吸热器，还包括若干传热隔板，所述传热隔板设置于所述颗粒通道内并与相邻的所述工质通道相连，形成若干颗粒通道。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述吸热管组包括若干吸热管，若干所述吸热管环设于所述颗粒换热器外侧。

本发明的外接式颗粒吸热器，还包括顶部盖板和底部盖板；所述顶部盖板设于所述颗粒换热器的顶部；所述底部盖板设于所述颗粒换热器的底部。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述相变工质为汞及其合金或钠及其合金或钾及其合金或铯及其合金或硫及其化合物。

本发明的一种太阳能发电系统，包括上述任意一项所述的外接式颗粒吸热器。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1、本发明一实施例设置一内部设有颗粒通道和工质通道的颗粒换热器，同时设置一吸热管组与工质通道的两端连通形成循环管路，工质通道与颗粒通道传热接触，由吸热管组内的相变工质吸热并蒸发为气态的相变工质后，进入工质通道与颗粒通道内的冷颗粒进行换热并冷凝为液态的相变工质流回吸热管组。而被加热的热颗粒则可由颗粒通道的输出端输出至下一外部设备。通过设置液相相变工质为中间换热介质，蒸发后将热量传递给颗粒并使得颗粒升至所需的温度，具备较高的效率。参照熔盐吸热器，本实施例的外接式吸热器效率可达88%，截断效率更是高达95%，而颗粒换热效率达99%，综合热效率可达82.8%，与熔盐吸热器效率基本相同，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。同时，颗粒技术价格低廉且有更高的吸热温度，在吸热效率相同的情况下，可大幅降低光热电站度电成本。

2、本发明一实施例为外接式吸热器，相比腔式吸热器，可采用圆镜场布置，大幅提高土地利用率，且更有利于更大装机规模的电站建设。

3、本发明一实施例与目前各国研究机构提出的间接式颗粒吸热器相比，采用间接换热的颗粒流动和吸热温度均匀、稳定且可控，工质通道与颗粒通道形成的微通道结构也使得颗粒换热效率较高，换热速率更快，大大降低热损失。

4、熔盐吸热器在冷启动时需要进行电伴热以防止熔盐冻堵，另外熔盐吸热器在DNI值较低时也存在冻堵的风险，导致光资源利用率大大降低（85%左右），而电伴热也导致厂用电增加，降低了上网电量。而本发明一实施例中液相相变工质在启动前为液相，液相相变工质和颗粒均无需提前预热，可实现冷启动，在DNI较低时也可通过降低颗粒流量利用，大大增加了光资源利用率。

5、本发明一实施例中，相变工质采用相变驱动循环，无需额外动力来源，也无需增加厂用电。

6、本发明一实施例中，相变传热可仅利用工质潜热，放热段和吸热段温度几乎无变化，大大减小了吸热管、颗粒换热器、液相工质连通管以及气相工质连通管的热冲击，增加了吸热器的使用寿命。

7、本发明一实施例中，第一汇集箱和第二汇集箱的设计保证了圆周任一方向吸热管和颗粒换热器液位的平衡，防止吸热管内液相相变工质液位过低，导致吸热管爆管。

8、本发明实施例充分利用外接式吸热器的优势，脱离腔式吸热器结构，提供了一种基于相变传热的外接式颗粒吸热器，提高颗粒综合热效率，稳定控制颗粒吸热温度并适于大规模镜场应用。

附图说明

图1 为本发明的外接式颗粒吸热器的示意图；

图2 为本发明的外接式颗粒吸热器的A-A视角的剖视图（不含吸热管）；

图3 为本发明的外接式颗粒吸热器的C-C视角的示意图；

图4 为本发明的外接式颗粒吸热器的D-D视角的示意图；

图5 为本发明的外接式颗粒吸热器的B-B视角的示意图（不含吸热管）；

图6 为本发明的外接式颗粒吸热器的E向视角的示意图；

图7 为本发明的外接式颗粒吸热器的系统流程图。

附图标记说明：1：第一汇集箱；2：气相工质连通管；3：颗粒换热器；4：工质通道；5：十字翅片；6：颗粒通道；7：顶部盖板；8：吸热管组；9：第二汇集箱；10：底部盖板；11：颗粒流量调节阀；12：液相工质连通管；13：颗粒输入端；14：颗粒输出端。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种外接式颗粒吸热器及太阳能发电系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例一

参看图1至图6，在一个实施例中，一种外接式颗粒吸热器，包括颗粒换热器3和接收太阳能的吸热管组8。颗粒换热器3内设有至少一个颗粒通道6和至少一个工质通道4，且工质通道4均与颗粒通道6传热接触，使得每一颗粒通道6内的颗粒均可与工质通道4内的相变工质进行换热。吸热管组8内填充有相变工质，相变工质的蒸发温度高于颗粒通道6内流通的颗粒的吸热温度。吸热管组8的输出端与工质通道4的输入端连通，吸热管组8的输入端与工质通道4的输出端连通，即首尾相连形成一循环管路。

工作时，吸热管组8内的相变工质受热蒸发为气相的相变工质并经由吸热管组8流入工质通道4，与颗粒通道6内的冷颗粒换热冷凝为液相的相变工质并流回吸热管组8内。而被加热的热颗粒则可由颗粒换热器3的输出端输出至下一外部设备。

其中，液相相变工质包括但不限于常压、真空及高压状态下蒸发温度超过500℃的物质，如汞及其合金、钠及其合金、钾及其合金、铯及其合金、硫及其化合物、二氧化碳、水等。

通过设置相变工质为中间换热介质，蒸发后将热量传递给颗粒并使得颗粒升至所需的温度，具备较高的效率。参照熔盐吸热器，本实施例的外接式吸热器效率可达88%，截断效率更是高达95%，而颗粒换热效率达99%，综合热效率可达82.8%，与熔盐吸热器效率基本相同，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。同时，颗粒技术价格低廉且有更高的吸热温度，在吸热效率相同的情况下，可大幅降低光热电站度电成本。

下面对本实施例的外接式颗粒吸热器的具体结构进行进一步说明：

在本实施例中，颗粒换热器3包括分别与若干颗粒通道6两端连通的颗粒输入端13和颗粒输出端14。其中，颗粒通道6的流通方向可沿重力方向布置，采用重力堆积流，将冷颗粒被加热至热颗粒。

在本实施例中，外接式颗粒吸热器还可包括第一汇集部、第二汇集部。

第一汇集部安装于颗粒换热器3的一端，输入端与吸热管组8的输出端连通，输出端与工质通道4的输入端连通。第二汇集部设于颗粒换热器3的另一端，输入端与工质通道4的输出端连通，输出端与吸热管组8的输入端连通。

其中，第一汇集部包括第一汇集箱1和至少一个气相工质连通管2。第一汇集箱1安装于颗粒换热器3的上端。气相工质连通管2的两端分别连通第一汇集箱1的输出端和相对应的工质通道4的输入端。设置第一汇集箱1是因为吸热管组8内蒸发形成的气相的相变工质可能存在温度不均匀，不同温度的相变工质即可在第一汇集箱1内进行混合，以保证进入工质通道4与颗粒进行换热的相变工质的温度是均匀的。

第二汇集部则包括第二汇集箱9和至少一个液相工质连通管12。第二汇集箱9安装于颗粒换热器3的上端。液相工质连通管12的两端分别连通第二汇集箱9的输入端和相对应的工质通道4的输出端。第二汇集箱9则是用于对冷凝后的相变工质进行收集。在其他实施例中，第一汇集箱1和第二汇集箱9可为整体设计，也可以是分体设置，在此不作具体限定。

工作状态下，吸热管组8吸收太阳能并使得液相的相变工质蒸发为气相的相变工质并汇集于第一汇集箱1内；随着吸热管组8不断吸收太阳能，第一汇集箱1内压力逐渐增加，气相的相变工质通过气相工质连通管2从第一汇集箱1引出，进入工质通道4。气相的相变工质在工质通道4内由于颗粒的冷凝作用，冷凝为液相的相变工质，并经由液相工质连通管12进入第二汇集箱9，并根据连通器原理使得吸热管组8内液相的相变工质液位上升，继续吸收太阳能，最终完成整个工质循环并将热量传递给颗粒。

在本实施例中，外接式颗粒吸热器还包括设于颗粒换热器3上的颗粒流量调节阀11，具体地，可安装在颗粒输出端14上，用于根据光照条件调节颗粒通道6内的颗粒流通速度。

参看图2，在本实施例中，工质通道4与颗粒通道间隔设置。各工质通道4之间设置有间隙，相邻的工质通道4配合颗粒换热器3的壳体形成颗粒通道6。具体地，工质通道4可为矩形管，水平截面的长度较大，宽度较小，以保证相变工质可充分换热冷凝。相邻的矩形管平行设置，同时配合颗粒换热器3的壳体内腔即可形成上述的颗粒通道6，水平截面为矩形。

进一步地，可在矩形的颗粒通道6内设置若干传热隔板，传热隔板分别竖向设置于颗粒通道6内并与相邻的矩形管的管壁相连，配合将颗粒流体区域分隔为若干颗粒通道6。其中，为了进一步地提升换热效率，传热隔板可为十字翅片5；若干十字翅片5依次竖向安装于颗粒通道6，并与相邻的矩形管的管壁相连，相邻的十字翅片5可配合形成四边形的颗粒通道6，十字翅片5与管壁之间则可形成三角形的颗粒通道6。设置十字翅片5的目的是确保颗粒的稳定流通，同时可通过调整十字翅片5的尺寸来对颗粒通道6的尺寸进行调整，使得颗粒通道6可对颗粒的流通起到一定的阻碍作用，从而使得颗粒换热充分。

在本实施例中，吸热管组8可为若干吸热管。若干吸热管分别环设于颗粒换热器3外侧，且两端分别与第一汇集箱1的输入端和第二汇集箱9的输出端连通。进一步地，若干吸热管之间可进行密集排布以形成吸热管屏的形式，从而提高吸热效率。

参看图4和图5，在本实施例中，外接式颗粒吸热器还可包括顶部盖板7和底部盖板10。顶部盖板7设于颗粒换热器3的顶部，用于封锁颗粒换热器3内的热空气逃逸，减少热量损失。底部盖板10设于颗粒换热器3的底部，用于封锁颗粒换热器3内的空气，同时防止冷空气进入该颗粒换热器3内。

在本实施例中，第一汇集箱1和第二汇集箱9的设计保证了圆周任一方向吸热管和颗粒换热器3液位的平衡，防止吸热管内液相相变工质液位过低，导致吸热管爆管。

进一步地，吸热管的高度应适当低于工质通道4和颗粒通道6的高度，以保持工质通道4内大部分区域处于气相相变工质区，而吸热管大部分区域处于液相相变工质区，太阳辐射能直接照射于吸热管的液相相变工质区，防止吸热管过热爆管。

进一步地，可在除了吸热管组8的太阳辐射区域外，对其余部件进行保温，还可在吸热壳体的顶部和底部加装盖板，以减小吸热管组8内侧的对流损失。

参看图7，下面对本实施例的外接式颗粒吸热器的相变工质的主要运行流程进行说明：初始状态吸热管内为真空状态，此时注入液相的相变工质。液相的相变工质在吸热管内吸热蒸发变成气相的相变工质，气相的相变工质上升汇流于第一汇集箱1。随着太阳能辐射能增加，液相的相变工质逐渐蒸发形成气相的相变工质，第一汇集箱1内压力增加。气相的相变工质通过气相工质连通管2进入工质通道4，并与冷颗粒换热后冷凝成液相的相变工质，从而维持第一汇集箱1的压力。液相的相变工质汇流于下方的第二汇集箱9，并根据连通器原理使得吸热管内液相的相变工质液位上升，继续吸收太阳能，最终完成整个工质循环并将热量传递给颗粒。

下面对本实施例的外接式颗粒吸热器中颗粒的主要运行流程进行说明：冷颗粒从顶部依靠重力进入颗粒换热器3，并于颗粒流通区域内流动，颗粒流通区域通过十字翅片5划分为多个颗粒通道6。颗粒将工质通道4内的气相的相变工质冷凝至液相的相变工质，颗粒吸收热量升温至所需温度。通过颗粒流量调节阀11调节颗粒流量，调整颗粒换热量以平衡吸热管内部液相的相变工质液位，维持第一汇集箱1的压力。

下面通过本实施例的外接式颗粒吸热器的一种实际运行流程进行具体说明：

常压下相变工质的沸点约为800℃。相变工质在吸热管内吸收太阳能并升温至800℃，并蒸发至气相的相变工质，气相的相变工质上升汇流于第一汇集箱1。随着太阳能辐射能增加，相变工质逐渐蒸发形成气相的相变工质，第一汇集箱1内压力增加，吸热管内液位降低。气相的相变工质通过气相工质连通管2进入工质通道4，调节颗粒流量，500℃冷颗粒进入颗粒换热器3的颗粒通道6，并与气相的相变工质换热升温至700℃。此时气相的相变工质冷凝成液相的相变工质，第一汇集箱1压力逐渐下降至平衡状态，工质通道4内液位逐渐升高，并汇流于第二汇集箱9，工质通道4内液相的相变工质和气相的相变工质温度维持在800℃。由于连通器原理，吸热管内液相的相变工质液位上升，并继续吸收太阳能，最终完成整个工质循环并将热量传递给颗粒。

当太阳辐射DNI值升高时，相变工质蒸发速率加快，通过增加颗粒流量调节气相的相变工质冷凝速度，维持吸热管内的液位。当太阳辐射DNI值降低时，相变工质蒸发速率减弱，通过降低颗粒流量调节气相的相变工质冷凝速度，维持吸热管内的液位。太阳辐射DNI变化时，吸热管内温度始终维持在800℃左右，吸热管热冲击较小，大大延长了管道寿命。

相变传热可仅利用工质潜热，放热段和吸热段温度几乎无变化，大大减小了吸热管、工质通道4、颗粒通道6、液相工质连通管12以及气相工质连通管2的热冲击，增加了吸热器的使用寿命。

实施例二

一种太阳能发电系统，包括上述实施例一中的外接式颗粒吸热器。通过设置相变工质为中间换热介质，蒸发后将热量传递给颗粒并使得颗粒升至所需的温度，具备较高的效率。同时，采用了外接式吸热器结构，有利于电站装机规模的扩大，进而降低单位规模投资成本。外接式吸热器可以采用圆镜场布置，增加土地利用率。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种外接式颗粒吸热器，其特征在于，包括颗粒换热器（3）和吸热管组（8）；

所述颗粒换热器（3）内设有至少一个颗粒通道（6）和至少一个工质通道（4），且所述工质通道（4）与所述颗粒通道（6）传热接触；

所述吸热管组（8）内填充有相变工质，所述相变工质的蒸发温度高于所述颗粒换热器（3）内流通的颗粒的温度；

所述吸热管组（8）的输出端与所述工质通道（4）的输入端连通；所述吸热管组（8）的输入端与所述工质通道（4）的输出端连通；

工作状态下，所述相变工质在所述吸热管组（8）内吸收太阳能并转化为气态的相变工质，气态的相变工质流通至所述工质通道（4）内并将热量传递至所述颗粒通道（6）内的颗粒后，气态的相变工质转化为液态的相变工质流回所述吸热管组（8）内。

2.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，还包括第一汇集部、第二汇集部；

所述第一汇集部设于所述颗粒换热器（3）的一端，所述第一汇集部的输入端与吸热管组（8）的输出端连通，所述第一汇集部的输出端与所述工质通道（4）的输入端连通；所述第二汇集部设于所述颗粒换热器（3）的另一端，所述第二汇集部的输入端与所述工质通道（4）的输出端连通，所述第二汇集部输出端与吸热管组（8）的输入端连通。

3.如权利要求2所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述第一汇集部包括第一汇集箱（1）和至少一个气相工质连通管（2）；

所述第一汇集箱（1）设于所述颗粒换热器（3）的上端；所述气相工质连通管（2）的两端分别连通所述第一汇集箱（1）的输出端和相对应的所述工质通道（4）的输入端。

4.如权利要求2所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述第二汇集部包括第二汇集箱（9）和至少一个液相工质连通管（12）；

所述第二汇集箱（9）设于所述颗粒换热器（3）的下端；所述液相工质连通管（12）的两端分别连通所述第二汇集箱（9）的输入端和相对应的所述工质通道（4）的输出端。

5.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述工质通道（4）与所述颗粒通道（6）间隔设置；

各所述工质通道（4）之间设置有间隙；相邻的所述工质通道（4）配合所述颗粒换热器（3）的壳体形成所述颗粒通道（6）。

6.如权利要求5所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，还包括若干传热隔板，所述传热隔板设置于所述颗粒通道（6）内并与相邻的所述工质通道（4）相连，形成若干所述颗粒通道（6）。

7.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述吸热管组（8）包括若干吸热管，若干所述吸热管环设于所述颗粒换热器（3）外侧。

8.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，还包括顶部盖板（7）和底部盖板（10）；所述顶部盖板（7）设于所述颗粒换热器（3）的顶部；所述底部盖板（10）设于所述颗粒换热器（3）的底部。

9.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述相变工质为汞及其合金或钠及其合金或钾及其合金或铯及其合金或硫及其化合物。

10.一种太阳能发电系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任意一项所述的外接式颗粒吸热器。

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