CN113108482A - 太阳能吸热器、太阳能集热系统及太阳能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太阳能吸热器，包括：入口，集热介质从所述入口进入太阳能吸热器；通道部件，所述通道部件设置成与所述入口流体连接，使得集热介质通过入口进入到所述通道部件；收集部件，所述收集部件设置成与所述通道部件流体连接，使得集热介质经由所述通道部件进入到所述收集部件。根据本发明的太阳能吸热器，其采用陶瓷颗粒作为集热介质。根据本发明的太阳能吸热器其运行稳定、集热效率高。此外，本发明还提供了一种包括上述太阳能吸热器的太阳能集热系统以及包括上述太阳能集热系统的太阳能发电系统。

Description

太阳能吸热器、太阳能集热系统及太阳能发电系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能吸热器、太阳能集热系统及太阳能发电系统。
背景技术
太阳能吸热器是太阳能发电系统中实现光热转化的关键部件，其设计一直都是太阳能发电领域的重点问题。而太阳能吸热器中的吸热介质对太阳能吸热器的集热效率的高低有重要影响，现有技术中多采用以熔盐、空气及饱和湿蒸汽为吸热介质的吸热器，但其存在着高温易分解、流动不均匀、局部过热、装置易腐蚀、失效等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种太阳能吸热器、太阳能集热系统及太阳能发电系统，由此能够显著提高集热效率，以解决现有技术中的问题。
根据本发明的实施方式，其提供一种太阳能吸热器，包括入口，集热介质从所述入口进入太阳能吸热器；通道部件，所述通道部件设置成与所述入口流体连接，使得集热介质通过入口进入到所述通道部件；收集部件，所述收集部件设置成与所述通道部件流体连接，使得集热介质经由所述通道部件进入到所述收集部件；其中，所述集热介质为陶瓷颗粒流，所述陶瓷颗粒流中的陶瓷颗粒的密堆率为0.5-0.7，所述陶瓷颗粒流的流速为0.1～2米/秒；以及所述通道部件包括：多个通道单元，每个通道单元包括孔道以及包围孔道的基体，所述集热介质通过重力作用在所述孔道内流动；以及外层部，所述外层部将所述通道单元固定成一体；所述通道单元的外形为斜槽；所述通道部件为倾斜放置或竖直放置；当所述通道单元的基体为透明材料时，所述外层部也为透明材料；当所述通道单元的基体为不透明材料时，所述外层部为透明或不透明材料；并且，当外层部为透明材料时，在通道单元和外层部之间留有空隙并做抽真空处理以保持内部的热量；当外层部为不透明材料时，使通道单元和外层部紧密接触以便传热。
根据本发明的实施方式，其中所述陶瓷颗粒流中的陶瓷颗粒的直径为0.1mm至6mm。
根据本发明的实施方式，其中所述陶瓷颗粒流中的陶瓷颗粒的材料选自碳化物陶瓷、氮化物陶瓷或者氧化物陶瓷之一或者几种混合物。
根据本发明的实施方式，其中所述收集部件为漏斗形。
根据本发明的另一方面，其提供一种太阳能集热系统，其包括前述的太阳能吸热器。
根据本发明的实施方式，太阳能集热系统还包括：集热介质储存装置，在集热介质流动方向上，其设置在所述太阳能吸热器的上游，并与所述太阳能吸热器通过管路连通，使得所述集热介质从所述集热介质储存装置流动到所述太阳能吸热器内；换热器，在集热介质流动方向上，其设置在所述太阳能吸热器的下游，并与所述太阳能吸热器通过管路连通，其设置成将集热介质吸收的热量导出；集热介质除尘装置，在集热介质流动方向上，其设置在所述换热器的下游，并与所述换热器通过管路连通，其设置成对进入其内的集热介质进行除尘；集热介质循环装置，在集热介质流动方向上，其设置在集热介质除尘装置的下游，并与所述集热介质除尘装置通过管路连通，其设置成将来自集热介质除尘装置的集热介质输送至所述集热介质储存装置内。
根据本发明的又一方面，其提供一种太阳能发电系统其包括：前述的太阳能集热系统。
根据本发明的实施方式，太阳能发电系统还包括：聚光系统，所述聚光系统设置成将太阳光会聚至所述太阳能集热系统；发电系统，所述太阳能集热系统将热量导入到所述发电系统以进行发电。
本发明中，其采用了陶瓷颗粒作为集热介质，并且提供了简化结构的吸热器，上述改进提供了集热效率以及换热效率。而包括上述吸热器的发电系统的发电效率以及运行稳定性都显著改善。
附图说明
图1为根据本发明实施例的太阳能集热系统的示意图，其中包括太阳能吸热器；
图2为根据本发明实施例的太阳能吸热器的通道单元的结构示意图；
图3为根据本发明实施例的太阳能吸热器的通道部件的结构示意图；
图4为根据本发明实施例的太阳能吸热器的通道单元的局部结构示意图；
图5为根据本发明实施例的太阳能吸热器的通道部件与聚光器配合使用的结构示意图；以及
图6为根据本发明实施例的太阳能发电系统的结构示意图；
图7为根据本发明实施例的陶瓷颗粒与陶瓷颗粒所占据的空间之间的关系的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本发明的实施例，其中相同的标号对应相同的元件。但是，本发明有很多不同的实施方案，不能解释为将本发明限定在所述的实施例；而只是通过提供本发明的实施例，使本公开内容全面而完整，并向本领域技术人员完全的传达本发明的概念。
如图1所示，其示出了根据本发明的实施例的太阳能集热系统以及太阳能吸热器，其中，太阳能吸热器以附图标记100示出。
根据本发明的实施方式，其提供一种太阳能吸热器，包括：入口6，集热介质从所述入口6进入太阳能吸热器100；通道部件5，所述通道部件5设置成与所述入口6流体连接，使得集热介质通过入口6进入到所述通道部件5；收集部件7，所述收集部件7设置成与所述通道部件5流体连接，使得集热介质经由所述通道部件5进入到所述收集部件7。在本发明的实施方式中，通道部件5可倾斜放置，也可竖直放置。
根据本发明的实施方式，其中所述集热介质为陶瓷颗粒流。即，所述陶瓷颗粒在吸热器中呈流动状态，即，陶瓷颗粒流。根据本发明的实施方式，所述陶瓷颗粒流的流速为0.1～2米/秒。
根据本发明的实施方式，其中所述陶瓷颗粒的密堆率为0.5-0.7。这里的密堆率是指所有颗粒的总体积与所有颗粒所占空间总体积之比。
特别的，这里的密堆率表征了陶瓷颗粒的密集度，如图7所示，其示出了陶瓷颗粒与陶瓷颗粒所占据空间之间的关系。如图7所示，其示出了陶瓷颗粒，这些陶瓷颗粒随机堆积，颗粒之间有空隙，假设a1、a2……an表示每个颗粒的体积，如图7所示出的，这些陶瓷颗粒所占据的空间具有一定的长、宽和高，那么，密堆率为所有颗粒的体积之和(a1+a2+a3+……+an)与这些颗粒堆积后所占的总体积(长*宽*高)之比。另外一个方面，由于作为集热介质的陶瓷颗粒流在吸热器或者集热系统中流动的随机性，不同位置的流速及堆积情况有所变化，从而，上述密堆率的值也是变化的。
特别的，发明人指出，附图7中仅仅是示例性地阐述密堆率的计算方法，其示出的陶瓷颗粒所占据的空间为立方体，实际应用中，所述陶瓷颗粒所占据的空间可能是其他形状，例如，圆柱体、圆锥体或者其他不规则的形状，这时的密堆率的计算即为所有颗粒的总体积与所有颗粒所占空间总体积之比，换而言之，即，密堆率为所有颗粒的体积之和(a1+a2+a3+……+an)与这些颗粒堆积后所占空间(任何形状的空间)的总体积之比。
根据本发明的实施方式，其中所述陶瓷颗粒的直径为0.1mm至6mm。
根据本发明的实施方式，其中所述陶瓷颗粒的材料选自碳化物陶瓷、氮化物陶瓷或者氧化物陶瓷之一或者几种混合物。
具体的，在吸热器100内部的集热介质为陶瓷颗粒流，在本发明的实施例中，陶瓷颗粒的形状可为球形或类球形，并能在吸热器100中流动。陶瓷颗粒流从吸热器100的入口6进入到吸热器100的通道部件5内。
在本发明的实施例中，采用陶瓷颗粒流作为集热介质，其密堆率为0.5-0.7，优选的，密堆率为0.57左右。采用不同透明度的吸热/导热材料制作的可拼接多孔通道单元或斜槽作为集热介质的流动通道。其中，作为集热介质(热量导出介质)的陶瓷颗粒可以使用碳化物陶瓷、氮化物陶瓷或氧化物陶瓷等耐高温材料，例如：氧化锆、氧化铝、氮化镐、碳化硅等，以及由这些材料混合物构成的耐高温材料)，其可以保证吸热器的使用范围达到300-1200℃，甚至也可使之工作在1200°以上。碳化物等材料由于导热系数大、辐射吸收率高，可以最大限度吸收/传导太阳能。上述颗粒直径在0.1-6mm，优选的，在1mm左右。
此外，通道单元的材料可以选用透明或者半透明/不透明材料。对于透明材料，可以选用低热导率的高透光耐温材料如碳化物陶瓷、氮化物陶瓷或氧化物陶瓷及其混合物等耐高温材料，也可选用石英等材料；而不透明材料可以是高辐射吸收率、高热导率的耐温材料如：碳化物陶瓷、氮化物陶瓷或氧化物陶瓷等经过吸热优化的耐高温材料。
特别的，上述材料不是对本发明的限定，本领域技术人员也可以在上述技术方案的启示下，采用其他合适的材料。
根据本发明的实施方式，如图2和3所示，其中所述通道部件5包括：多个通道单元12，每个通道单元12包括孔道14以及包围孔道的基体15，所述集热介质在所述孔道14内流动；外层部13，所述外层部将所述通道单元12固定成一体。利用外层部13的固定，可以根据需要，由多个通道单位拼接成不同形状而形成的通道部件。
根据本发明的实施方式，其中所述通道单元12的外形为棱柱体或者斜槽16。如图4所示，其示出了本发明的通道单元12为斜槽的示例。集热介质从斜槽形式的通道单元的上端进入，经太阳光4(辐射能流)加热后，在重力的作用下，从通道单元的下端流入到收集部件7中。此外，若通道部件5选用棱柱结构，则横向可拼接为方格或者蜂巢结构，纵向可根据需求调节长度。集热介质在重力驱动下从通道单元12的孔道中流过，将吸热后的集热介质输送至收集部件7中。
其中，通道单元12的孔道14的密度以及尺寸可以根据需要设定。特别的，上述通道部件的结构仅仅为示例，并不构成对本发明的限定，本领域技术人员也可以采用其他形式的通道部件。
此外，在通道单元内可以填充的气体，该气体可以是空气或者二氧化碳、氦气、氮气、氧气等来提高换热效率，通道内的气压可为0.1～10个大气压，优选的，采用1个大气压左右。
根据本发明的实施方式，如图1所述，其中所述收集部件7为漏斗形，其起到控制集热介质流量及流速的作用。
在本发明的实施方式中，所述外层部13起到固定通道单元12的作用。通道单元的基体15以及外层部13可以为透明材料或者不透明材料。其中，在本发明的实施例中，若基体15选用透明材料，则外层部13也选用透明材料；若基体15选用不透明材料，则外层部13可以为透明或者不透明材料；二者为透明材料时，太阳光4(辐射能流)会透过该材料；若为不透明材料时，太阳光4(辐射能流)会被该材料吸收并传至孔道14内的集热介质上。如果外层部13为透明材料则可以在通道单元12与外包层13之间留有空隙并做抽真空处理以保持内部热量；若外层部13为不透明材料，可以使二者紧密接触以便于传热。
根据本发明的另一方面，其提供一种太阳能集热系统，其包括前述的太阳能吸热器。
根据本发明的实施方式，如图1所示，太阳能集热系统还包括：集热介质储存装置11，在集热介质流动方向上，其设置在所述太阳能吸热器100的上游，并与所述太阳能吸热器100通过管路连通，使得所述集热介质从所述集热介质储存装置11流动到所述太阳能吸热器100内；换热器8，在集热介质流动方向上，其设置在所述太阳能吸热器100的下游，并与所述太阳能吸热器100通过管路连通，其设置成将集热介质吸收的热量导出；集热介质除尘装置9，在集热介质流动方向上，其设置在所述换热器8的下游，并与所述换热器8通过管路连通，其设置成对进入其内的集热介质进行除尘；集热介质循环装置10，在集热介质流动方向上，其设置在集热介质除尘装置9的下游，并与所述集热介质除尘装置9通过管路连通，其设置成将来自集热介质除尘装置9的集热介质输送至所述集热介质储存装置11内。
如图1和6所示，得到热量的陶瓷颗粒流流出收集部件7后，经输送管道进入换热器8中，在换热器8内可将集热介质吸收的热量导出并在发电系统3中进行发电。而换热后的集热介质又经集热介质除尘装置9处理后进入集热介质循环装置10，其将集热介质输送至吸热器100上游的集热介质储存装置11，再通过管道重新回到吸热器入口6，进行下一轮的吸热过程，如此循环运行。
以下简要说明本发明的太阳能集热系统的工作过程。
如图1和6所示，经聚光设备收集的辐射能流投射到吸热器100，辐射能流被密集陶瓷颗粒流吸收。吸热器中的密集陶瓷颗粒流在重力的驱动下以竖直的或者以倾斜的角度从通道孔道流下，由于通道倾斜角度或漏斗口开口大小的作用，使得密集陶瓷颗粒能够以可控的流速通过通道，进而确保集热介质能够充分的吸热/传热。通道部件的多孔结构以及陶瓷颗粒较小的尺寸有利于更高效的传热。吸热后的陶瓷颗粒从孔道中流入通道底部与之连接的收集装置，并进入下游的换热器，将热量导出用于发电。换热结束后的集热介质进入下游的集热介质除尘装置进行筛选除尘的处理，处理完成后的集热介质通过集热介质循环装置被运送至吸热器上游的储存装置，并重新进入集热系统。其中集热介质除尘装置也可作为集热介质的储存装置使用。
根据本发明所提供的太阳能吸热器和太阳能集热系统，其结构简单，最大限度地实现不同条件下辐射能流的高效吸收，显著提高集热效率。此外，由于没有内插的部件，从而避免了内插部件疲劳和磨损的问题。陶瓷颗粒流动状态及流动速度可以由通道部件的倾斜角度以及收集装置出口的大小来控制，同时避免了装置堵塞。
根据本发明的又一方面，其提供一种太阳能发电系统其包括：前述的太阳能集热系统。
根据本发明的实施方式，如图6所示，太阳能发电系统还包括：聚光系统1，所述聚光系统1设置成将太阳光4会聚至所述太阳能集热系统2；发电系统3，所述太阳能集热系统2将热量导入到所述发电系统3以进行发电。
在本发明的实施方式中，聚光系统1可以由反射镜阵列组成，根据需要可以选用塔式、蝶式或槽式聚光器。如图5所示，其示出了槽式聚光器17。当然，上述聚光系统的设置仅仅是举例不是对本发明的限定，本领域技术人员也可以采用其他形式的聚光系统。
另外，发电系统可以采用蒸气为工作介质，例如：水蒸气、超临界水、超超临界水、或超临界二氧化碳等。
本发明中，其采用了陶瓷颗粒作为集热介质，并且提供了简化结构的吸热器，上述改进提供了集热效率以及换热效率。而包括上述吸热器的发电系统的发电效率以及运行稳定性都显著改善。
尽管对本发明的实施例进行了展示和描述，但本领域技术人员将会理解在不偏离本发明的原理和实质的情况下，可对这些实施例进行改变，其范围也落入本发明的权利要求及其等同物所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种太阳能吸热器，包括：
入口，集热介质从所述入口进入太阳能吸热器；
通道部件，所述通道部件设置成与所述入口流体连接，使得集热介质通过入口进入到所述通道部件；
收集部件，所述收集部件设置成与所述通道部件流体连接，使得集热介质经由所述通道部件进入到所述收集部件；
其中，
所述集热介质为陶瓷颗粒流，所述陶瓷颗粒流中的陶瓷颗粒的密堆率为0.5-0.7，所述陶瓷颗粒流的流速为0.1～2米/秒；以及
所述通道部件包括：多个通道单元，每个通道单元包括孔道以及包围孔道的基体，所述集热介质通过重力作用在所述孔道内流动；以及外层部，所述外层部将所述通道单元固定成一体；
所述通道单元的外形为斜槽；
所述通道部件为倾斜放置或竖直放置；
当所述通道单元的基体为透明材料时，所述外层部也为透明材料；当所述通道单元的基体为不透明材料时，所述外层部为透明或不透明材料；
并且，当外层部为透明材料时，在通道单元和外层部之间留有空隙并做抽真空处理以保持内部的热量；当外层部为不透明材料时，使通道单元和外层部紧密接触以便传热。
2.根据权利要求1所述的太阳能吸热器，其中所述陶瓷颗粒流中的陶瓷颗粒的直径为0.1mm至6mm。
3.根据权利要求1所述的太阳能吸热器，其中所述陶瓷颗粒流中的陶瓷颗粒的材料选自碳化物陶瓷、氮化物陶瓷或者氧化物陶瓷之一或者几种混合物。
4.根据权利要求1所述的太阳能吸热器，其中所述收集部件为漏斗形。
5.一种太阳能集热系统，其包括：
权利要求1所述的太阳能吸热器。
6.根据权利要求5所述的太阳能集热系统，还包括：
集热介质储存装置，在集热介质流动方向上，其设置在所述太阳能吸热器的上游，并与所述太阳能吸热器通过管路连通，使得所述集热介质从所述集热介质储存装置流动到所述太阳能吸热器内；
换热器，在集热介质流动方向上，其设置在所述太阳能吸热器的下游，并与所述太阳能吸热器通过管路连通，其设置成将集热介质吸收的热量导出；
集热介质除尘装置，在集热介质流动方向上，其设置在所述换热器的下游，并与所述换热器通过管路连通，其设置成对进入其内的集热介质进行除尘；
集热介质循环装置，在集热介质流动方向上，其设置在集热介质除尘装置的下游，并与所述集热介质除尘装置通过管路连通，其设置成将来自集热介质除尘装置的集热介质输送至所述集热介质储存装置内。
7.一种太阳能发电系统，其包括：
权利要求5所述的太阳能集热系统。
8.根据权利要求7所述的太阳能发电系统，还包括：
聚光系统，所述聚光系统设置成将太阳光会聚至所述太阳能集热系统；
发电系统，所述太阳能集热系统将热量导入到所述发电系统以进行发电。
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