CN113048658B - 一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能光热利用相关技术领域，其公开了一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，系统包括依次相连接的太阳能吸热器组件、控制组件、换热器组件及流化组件，且太阳能吸热器组件与流化组件相连通；太阳能吸热器组件包括吸热器腔体与石英管，石英管部分地设置在吸热器腔体内，且其一端伸入流化组件内；流化组件内的固体颗粒在进入流化组件的气流带动下流化，流化所形成的悬浮固体颗粒通过石英管提升至吸热器腔体内，石英管出口处的固体颗粒被射入吸热器腔体内的聚光太阳辐射能流加热到预定温度后下落。本发明有效缓解太阳能吸热器受热不均的问题，提高了可靠性，降低了颗粒损耗，能够解决太阳能固有的间歇性问题，保证连续运行。

Description

一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统

技术领域

本发明属于太阳能光热利用相关技术领域，更具体地，涉及一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统。

背景技术

全球能源的绝大部分热能都直接或者间接来自太阳光，太阳能由于其资源丰富、可再生、清洁等优点，具有化石能源或者其他可再生能源无法比拟的优势。因此，开发高效可行的太阳能光热利用技术势在必行。目前的太阳能光热利用技术通过多台追踪太阳运动的定日镜将太阳光反射并集中到太阳能吸热器上，利用封闭在空腔内的储能介质吸收太阳辐射并将其转化为热能，与热能储存系统耦合，可实现太阳能的有效捕获、储存和使用。储存在介质中的热能可用于动力循环发电、燃料和化学产品生产、水分解热化学制氢、工业过程供热等，用途非常广泛。其中，吸热器是太阳能光热利用技术的核心，其性能将直接影响系统效率。

传统的太阳能吸热介质一般为熔融盐、水工质、导热油等，这些工质的工作温度范围小，高温时性质不稳定，限制了太阳能光热利用效率。为了提高太阳能吸热器的工作温度，在新一代太阳能光热利用技术中，使用成本低廉的固体颗粒作为吸热储热介质，该介质具有较大的热容，可以适应更高的温度环境，通常可达1000℃以上。较于传统的吸热储热介质，固体颗粒显著地提高了太阳能光热利用效率并降低了投资成本。

目前基于固体颗粒的太阳能吸热器形式主要包括下落式、旋流式、固定床式及填充床式。以上吸热器内颗粒受热不均匀，导致固体颗粒温度不均，此外还存在颗粒损耗与能力损失的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其可以有效缓解吸热器受热不均的问题，提高了可靠性，降低了颗粒损耗。此外，流化床可以使固体颗粒与空气充分接触，颗粒的换热效率更高；储热单元的设计能够解决太阳固有的间歇性问题，保证系统8小时以上的连续运行，且该系统有望成为基于固体颗粒的太阳能光热技术的首选。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，所述系统包括依次相连接的太阳能吸热器组件、控制组件、换热器组件及流化组件，且所述太阳能吸热器组件与所述流化组件相连通；

所述太阳能吸热器组件包括吸热器腔体与石英管，所述石英管部分地设置在所述吸热器腔体内，且其一端伸入所述流化组件内；所述流化组件内的固体颗粒在进入所述流化组件的气流带动下流化，流化所形成的悬浮固体颗粒通过所述石英管提升至所述吸热器腔体内，所述石英管出口处的固体颗粒被射入所述吸热器腔体内的聚光太阳辐射能流加热到预定温度后下落，所述石英管内上升的悬浮固体颗粒与所述吸热器腔体内下落的固体颗粒形成逆流并进行热交换，且所述吸热器腔体内的固体颗粒在重力作用下进入所述控制组件；所述控制组件内收集及储存的固体颗粒在重力作用下进入所述换热器组件进行热交换而降低温度后进入所述流化组件。

进一步地，所述流化组件内的固体颗粒的温度小于经聚光太阳辐射能流加热后的固体颗粒的温度，且同时小于所述控制组件内固体颗粒的温度。

进一步地，所述流化组件包括布风板及低温颗粒储仓，所述低温颗粒储仓为腔体结构，所述布风板设置在所述低温颗粒储仓的底部，且两者间隔设置；所述低温颗粒储仓底部邻近所述布风板的位置开设有空气入口，通过所述空气入口控制进入所述低温颗粒储仓的进风量；所述石英管部分地收容于所述低温颗粒储仓内。

进一步地，所述空气入口的数量为多个，多个所述空气入口均匀地分布在所述低温颗粒储仓的底面上。

进一步地，所述吸热器腔体远离所述流化组件的一端设置有透光窗口，所述透光窗口用于将聚光太阳辐射能流聚集在所述石英管的出口。

进一步地，所述吸热器腔体邻近所述透光窗口的部位开设有空气出口，所述空气出口为气固分离结构；所述石英管与所述吸热器腔体为同心双管结构。

进一步地，所述控制组件包括相连接的高温颗粒储仓及颗粒质量流率控制件，所述高温颗粒储仓包括形成有收容腔的本体及多个漏斗形连接件，所述本体相背的两端分别与所述吸热器腔体及所述漏斗形连接件相连接；所述漏斗形连接件的大端与所述本体相连通，小端与支管的一端相连接，所述支管的另一端连接于总管，所述总管连接于所述流化组件。

进一步地，所述漏斗形连接件的锥形壁面设置成45°倾角。

进一步地，所述换热器组件的数量为多个，多个所述换热器组件分别设置在多个所述支管上。

进一步地，所述换热器组件内的换热工质的流动方向与对应的所述支管内的固体颗粒的流动方向相反以形成逆流增强换热。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统主要具有以下有益效果：

1.所述石英管出口处的固体颗粒被射入所述吸热器腔体内的聚光太阳辐射能流加热到预定温度后下落，所述石英管内上升的悬浮固体颗粒与所述吸热器腔体内下落的固体颗粒形成逆流并进行热交换，高温颗粒释放一定热量至合适温度，同时由所述低温颗粒储仓进入所述石英管的颗粒被预热至一定温度后再吸收聚光太阳辐射能流，使得所述吸热器腔体内的颗粒吸热过程更为平缓稳定，如此解决了换热器受热不均的问题，提高了可靠性，降低了颗粒损耗；同时，流化床可使固体颗粒与空气充分接触，颗粒的换热效率更高。

2.所述控制组件内收集及储存的固体颗粒在重力作用下进入所述换热器组件进行热交换而降低温度后进入所述流化组件，如此存储的高温颗粒可以在太阳能辐射较低或者没有太阳能的时候用于换热，从而解决太阳能辐射的时间不均匀，以在太阳辐射波动时保证系统输出功率的稳定，实现系统的不间断运行。

3.所述布风板设置在所述低温颗粒储仓的底部，通过所述布风板可以产生均匀的气流，使得所述低温颗粒储仓内的固体颗粒形成流化状态。

4.所述漏斗形连接件的锥形壁面设置成45°倾角，颗粒在所述漏斗形连接件中能够实现充分的流动，避免固体颗粒在储仓底部的堆积，而对于所述换热器组件不同时刻的换热需求，所述颗粒质量流率控制件可以通过调节阀门开闭程度以用于调控高温颗粒储仓中高温颗粒的消耗速度，以满足相应的换热量需求。

5.所述换热器组件的数量可设置为多个，多个所述换热器组件分别设置在多个所述支管上，如此可以根据不同的应用场景选取相应地换热器形式，不同通道的高温颗粒完成换热过程后汇集到同一个总管后进入所述低温颗粒储仓，流化后进入所述太阳能吸热器组件以进行下一次的吸热过程，由此可以使用同一个太阳能颗粒吸热储热系统实现多种换热目的。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统的结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统又一种高温颗粒储仓与换热器设置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-固体颗粒，2-太阳能吸热器组件，201-石英管，202-吸热器腔体，203-空气出口，204-透光窗口，3-聚光太阳辐射能流，4-控制组件，401-高温颗粒储仓，402-颗粒质量流率控制件，5-换热器组件，501-换热器腔体，502-换热器工质入口，503-换热器工质出口，6-流化组件，601-空气入口，602-布风板，603-低温颗粒储仓，7-保温装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例1提供的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，所述系统包括太阳能吸热器组件2、控制组件4、换热器组件5、流化组件6及保温装置7，所述太阳能吸热器组件2、所述控制组件4、所述换热器组件5及所述流化组件6依次相连接，且所述流化组件6与所述太阳能吸热器组件2相连通，所述控制组件4及所述流化组件6分别位于所述太阳能吸热器组件2的下方。所述太阳能吸热器组件2、所述控制组件4、所述换热器组件5及所述流化组件6的外部选择性地设置有保温装置7。

本实施方式中，所述太阳能吸热器组件2、所述控制组件4、所述换热器组件5及所述流化组件6之间通过管道相连接以形成吸热回路及储热回路，所述系统采用固体颗粒1在回路中作为储热介质及换热介质进行循环流动，所述太阳能吸热器组件2与所述控制组件4之间、所述控制组件4与所述流化组件6之间固体颗粒1的流动依靠重力实现；所述太阳能吸热器组件2与所述控制组件4之间的管道、所述控制组件4与所述化热器组件5之间的管道需要选用能够承受1000℃以上的耐高温材料；其中，所述固体颗粒1可以为石英砂、碳化硅颗粒等，工作温度可达1000℃以上，性质稳定，廉价易得，其是良好的吸热及储热材料。

所述太阳能吸热器组件2包括筒状的石英管201、吸热器腔体202及透光窗口204，所述吸热器腔体202为圆柱状的腔体结构，其上端设置有所述透光窗口204，所述透光窗口204用于供聚光太阳辐射能流3穿过，下端通过倾斜设置的管道连接于所述控制组件。所述吸热器腔体202邻近所述透光窗口204的部位开设有空气出口203。所述石英管201部分地收容于所述吸热器腔体202内，且其一端穿过所述吸热器腔体202邻近所述流化组件6的一端后伸入所述流化组件6，使得所述太阳能吸热器组件2与所述流化组件6相连通。其中，所述石英管201用于为所述流化组件6内的低温固体颗粒提供通道以进入所述吸热器腔体202内。

本实施方式中，所述石英管201的中心轴与所述吸热器腔体202的中心轴重合；所述透光窗口203为凸透镜形式，聚光太阳辐射能流3进入所述透光窗口203时可以更好地聚光，实现所述石英管201出口颗粒的快速吸热升温；所述石英管201与所述吸热器腔体202为同心双管结构；所述空气出口203为气固分离结构，以防止固体颗粒逸出所述吸热器腔体202；聚光太阳辐射能流3聚集于所述石英管201的出口，因此该位置处的固体颗粒的温度最高，若是太阳辐射能流强度较高，固体颗粒可能会产生过高的温度，所述石英管201中上升的低温悬浮颗粒流与所述吸热器腔体202中下落的高温颗粒流形成逆流并进行热交换，高温颗粒释放一定热量至合适温度，同时由所述低温颗粒储仓603进入所述石英管201的颗粒被预热至一定温度后再吸收聚光太阳辐射能流3，使得所述吸热器腔体202内的颗粒吸热过程更为平缓稳定。

所述控制组件4包括相连接的高温颗粒储仓401及颗粒质量流率控制件402，所述高温颗粒储仓401包括形成有收容腔的本体及多个漏斗形连接件，所述本体的上端与所述太阳能吸热器组件2相连通，其与所述上端相背的下端底面上间隔设置有多个漏斗形连接件，所述漏斗形连接件的大端与所述本体相连通，小端与支管的一端相连接，所述支管的另一端连接于总管，所述总管连接于所述流化组件6。所述颗粒质量流率控制件402设置在所述支管上。

本实施方式中，所述本体用于接收并储存经所述太阳能吸热器组件2加热后的固体颗粒1，即所述本体用于接收并储存高温固体颗粒。所述本体可以设置较大的容积用于存储较多的高温颗粒以实现储能功能。中午太阳能较为充足，而傍晚或者夜间则没有太阳能，存储的高温颗粒可以在太阳能辐射较低或者没有太阳能的时候用于换热，从而解决太阳能辐射的时间不均匀，以在太阳辐射波动时保证系统输出功率的稳定，实现系统的不间断运行。

其中，所述漏斗形连接件的锥形壁面设置成45°倾角，颗粒在所述漏斗形连接件中能够实现充分的流动，避免固体颗粒在储仓底部的堆积，而对于所述换热器组件5不同时刻的换热需求，所述颗粒质量流率控制件402可以通过调节阀门开闭程度以用于调控所述高温颗粒储仓401中高温颗粒的消耗速度，进而满足相应的换热量需求。

所述换热器组件5包括换热器腔体501，所述换热器腔体501设置在所述总管上，其设置有换热器工质入口502及换热器工质出口503，所述换热器组件5的换热工质自所述换热器工质入口502进入且自所述换热器工质出口503流出，此换热工质的流动方向与所述总管内的固体颗粒的流动方向相反以形成逆流增强换热。

所述换热器组件5用于使所述高温固体颗粒与换热工质的能量交换，其可以为翅片管式换热器、蛇形盘管式换热器、流化床式换热器等，通常需要强化颗粒侧换热；所述系统可以用于电厂中一次风的加热，此时可以选取流化床式换热器使得高温颗粒和一次风充分接触，以保证换热的高效性。所述换热器组件可以根据规模用于太阳能光热发电、为化学反应器提供热量等工业应用。

所述流化组件6包括布风板602及低温颗粒储仓603，所述低温颗粒储仓603呈圆柱状，其为腔体结构。所述布风板602设置在所述低温颗粒储仓603的底部，且其与所述低温颗粒储仓603的中心轴垂直。本实施方式中，所述布风板602与所述低温颗粒储仓603的底面间隔预定距离，所述石英管201位于所述布风板602的上方。所述低温颗粒储仓603的底部开设有空气入口601，通过所述空气入口可以控制合适的进风量均匀通过所述布风板602，使得所述低温颗粒储仓603内的固体颗粒呈流化态，进而经过所述石英管201进入所述吸热器腔体202，并在所述石英管201的出口处被聚光太阳能辐射能流3加热至1000℃以上；所述石英管201出口处被加热后的固体颗粒下落至所述吸热器腔体202的底部，并通过管道进入所述高温颗粒储仓401。所述流化态包括鼓泡、湍动、快速循环，所述低温颗粒储仓603用于储存经与所述换热工质换热后的低温颗粒。

选取适当的空气流量，通过所述布风板602后产生均匀的气流使得所述低温颗粒储仓603内的固体颗粒形成流化状态，在气流的带动下流化后的悬浮固体颗粒通过所述石英管201提升至所述吸热器腔体202；其中，在太阳辐射充足时，可以通入所述低温颗粒储仓603内较大的气流量以带动更多颗粒上升至所述吸热器腔体202，以充分吸收太阳辐射。

所述空气入口601可以设置单一入口，由布风板实现均匀气流；也可以设置多个空气入口，并将各个空气入口与所述布风板602间的空腔均匀分割，从而进一步实现气流均匀化。

请参阅图2，本发明实施例2提供的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统与本发明实施例1提供的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统基本相同，不同点在于本发明实施例2提供的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统具有多个所述换热器组件5，多个所述换热器组件5分别设置在多个所述支管上，如此可以根据不同的应用场景选取相应地换热器形式，不同通道的高温颗粒完成换热过程后汇集到同一个总管后进入所述低温颗粒储仓603，流化后进入所述太阳能吸热器组件2以进行下一次的吸热过程，由此可以使用同一个太阳能颗粒吸热储热系统实现多种换热目的。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：

所述系统包括依次相连接的太阳能吸热器组件、控制组件、换热器组件及流化组件，且所述太阳能吸热器组件与所述流化组件相连通；

所述太阳能吸热器组件包括吸热器腔体与石英管，所述石英管部分地设置在所述吸热器腔体内，且其一端伸入所述流化组件内；所述流化组件内的固体颗粒在进入所述流化组件的气流带动下流化，流化所形成的悬浮固体颗粒通过所述石英管提升至所述吸热器腔体内，所述石英管出口处的固体颗粒被射入所述吸热器腔体内的聚光太阳辐射能流加热到预定温度后下落至控制组件内，所述石英管内上升的悬浮固体颗粒与所述吸热器腔体内下落的固体颗粒形成逆流并进行热交换，且所述吸热器腔体内的固体颗粒在重力作用下进入所述控制组件；所述控制组件内收集及储存的固体颗粒在重力作用下进入所述换热器组件进行热交换而降低温度后进入所述流化组件。

2.如权利要求1所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述流化组件内的固体颗粒的温度小于经聚光太阳辐射能流加热后的固体颗粒的温度，且同时小于所述控制组件内固体颗粒的温度。

3.如权利要求1所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述流化组件包括布风板及低温颗粒储仓，所述低温颗粒储仓为腔体结构，所述布风板设置在所述低温颗粒储仓的底部，且所述布风板与所述低温颗粒储仓的底面间隔预定距离；所述低温颗粒储仓底部邻近所述布风板的位置开设有空气入口，通过所述空气入口控制进入所述低温颗粒储仓的进风量；所述石英管部分地收容于所述低温颗粒储仓内。

4.如权利要求3所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述空气入口的数量为多个，多个所述空气入口均匀地分布在所述低温颗粒储仓的底面上。

5.如权利要求1所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述吸热器腔体远离所述流化组件的一端设置有透光窗口，所述透光窗口用于将聚光太阳辐射能流聚集在所述石英管的出口。

6.如权利要求5所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述吸热器腔体邻近所述透光窗口的部位开设有空气出口，所述空气出口为气固分离结构；所述石英管与所述吸热器腔体为同心双管结构。

7.如权利要求1-6任一项所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述控制组件包括相连接的高温颗粒储仓及颗粒质量流率控制件，所述高温颗粒储仓包括形成有收容腔的本体及多个漏斗形连接件，所述本体相背的两端分别与所述吸热器腔体及所述漏斗形连接件相连接；所述漏斗形连接件的大端与所述本体相连通，小端与支管的一端相连接，所述支管的另一端连接于总管，所述总管连接于所述流化组件。

8.如权利要求7所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述漏斗形连接件的锥形壁面设置成45°倾角。

9.如权利要求7所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述换热器组件的数量为多个，多个所述换热器组件分别设置在多个所述支管上。

10.如权利要求9所述的不间断运行的流化床式太阳能颗粒吸热储热系统，其特征在于：所述换热器组件内的换热工质的流动方向与对应的所述支管内的固体颗粒的流动方向相反以形成逆流增强换热。

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