CN113108488A - 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，设置一吸热部，吸热部的向阳端用于吸收太阳能，颗粒换热器设置在吸热部的背阴端一侧；并设置热管，蒸发端与吸热部传热接触，冷凝端与颗粒换热器内的颗粒传热接触。由蒸发端内液相的相变工质吸收吸热部的热量并蒸发为气相的相变工质后，进入冷凝端与颗粒换热器内的冷颗粒进行换热并冷凝为液相的相变工质流回蒸发端，而被加热的热颗粒则可通过颗粒换热器的输出端输出至下一外部设备。采用吸热部对太阳能进行吸收，并由热管内的相变工质作为中间换热介质，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。

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，导致常规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，有利于提高土地利用率。

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，包括吸热部、热管和颗粒换热器；

所述吸热部包括向阳端和背阴端，所述颗粒换热器设置在背阴端一侧；

所述热管的蒸发端与所述吸热部传热接触；所述热管的冷凝端与所述颗粒换热器内的颗粒传热接触；

其中，所述蒸发端内填充有相变工质，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。

所述向阳端为吸热部接收太阳光的一端，所述背阴端为吸热部上与向阳端相对的另一端。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述吸热部的向阳端设置为固体吸热层，背阴端设置为导热层；

所述蒸发端与所述导热层传热接触。

本发明的外接式颗粒吸热器，单个或数个所述吸热部围设于所述颗粒换热器四周。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述蒸发端设有若干第一翅片。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述冷凝端设有若干第二翅片。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述热管为闭式脉动热管。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述热管上设有单向阀。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述颗粒换热器的数量至少为两个，所述背阴端包括横向排列的至少两个换热区域，不同所述颗粒换热器与不同的换热区域对应；

各所述颗粒换热器的颗粒输出端均设有颗粒流量调节阀。

本发明的外接式颗粒吸热器，所述颗粒换热器的数量至少为两个，不同所述颗粒换热器与不同吸热部对应；

各所述颗粒换热器的颗粒输出端均设有颗粒流量调节阀。

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、本发明一实施例通过设置一吸热部，吸热部的向阳端用于吸收太阳能，颗粒换热器设置在吸热部的背阴端一侧；并设置热管，蒸发端与吸热部传热接触，冷凝端与颗粒换热器内的颗粒传热接触。由蒸发端内液相的相变工质吸收吸热部的热量并蒸发为气相的相变工质后，进入冷凝端与颗粒换热器内的冷颗粒进行换热并冷凝为液相的相变工质流回蒸发端，而被加热的热颗粒则可通过颗粒换热器的输出端输出至下一外部设备。采用吸热部对太阳能进行吸收，并由热管内的相变工质作为中间换热介质，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。而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％。本实施例的吸热部整体均可接受太阳辐射照射，截断效率高达95％以上，而热管内的相变工质传热能力极强，颗粒换热效率达99％，因此综合热效率比腔式吸热器高，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。

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、本发明一实施例个颗粒换热器相互独立，可根据不同角度的太阳辐射进行差别控制，有利于实现颗粒温度均匀。

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。而本实施例中相变工质在启动前为液相，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，闭式脉动热管传热可仅利用工质潜热，放热段和吸热段温度几乎无变化，大大减小了热冲击，增加了闭式脉动热管的使用寿命。

7、本发明一实施例中，蒸发管和冷凝管上均设置翅片，可实现小面积高热流密度的换热，能迅速将固体吸热层的热能转移至颗粒，减小吸热器尺寸，降低设备重量和成本。

8、本发明一实施例中，固体吸热层采用耐高温非金属吸热材料，如氧化镁、刚玉等，价格低廉且耐热震性能强。无需高强度合金材料，大大降低了吸热器的造价。另外，吸热材料本身具有一定的蓄热能力，在天气波动时为颗粒流量控制提供移动的缓冲时间，保证了颗粒温度的均匀性。

附图说明

图1为本发明的外接式颗粒吸热器的横向剖视图；

图2为本发明的外接式颗粒吸热器的示意图；

图3为本发明的外接式颗粒吸热器的竖向剖视图；

图4为本发明的外接式颗粒吸热器的另一实施方式的示意图；

图5为本发明的外接式颗粒吸热器的另一实施方式的示意图。

附图标记说明：1：吸热部；101：固体吸热层；102：导热层；2：蒸发端；3：第一翅片；4：单向阀；5：冷凝端；6：第二翅片；7：颗粒换热器；8：闭式脉动热管；9：颗粒流量调节阀；10：颗粒输入端；11：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3，在一个实施例中，一种外接式颗粒吸热器，包括吸热部1热管和颗粒换热器7。吸热部1包括向阳端和背阴端，向阳端用于接收太阳能辐射，与之相对的一端则为背阴端，背阴端一侧设置有颗粒换热器7。

其中，热管的蒸发端2与吸热部传热接触，热管的冷凝端5与颗粒换热器7内的颗粒传热接触。蒸发端2内填充有相变工质，相变工质的蒸发温度高于颗粒换热器7内流通的颗粒的吸热温度。

由蒸发端2内液相的相变工质吸收吸热部1的热量并蒸发为气相的相变工质后，进入冷凝端5与颗粒换热器7内的冷颗粒进行换热并冷凝为液相的相变工质流回蒸发端2，而被加热的热颗粒则可通过颗粒换热器7的输出端输出至下一外部设备。

本实施例采用吸热部1对太阳能进行吸收，并由热管内的相变工质作为中间换热介质，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。而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％。本实施例的吸热部1整体均可接受太阳辐射照射，截断效率高达95％以上，而热管内的相变工质传热能力极强，颗粒换热效率达99％，因此综合热效率比腔式吸热器高，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。

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，从吸热部1数量的角度来看：吸热部1的数量具体可为一个或多个，分别围设在颗粒换热器7的四周。当吸热部1的数量为多个时，多个吸热部的背阴端环绕设置形成一内环面，。当吸热部1的数量为一个时，吸热部1的形状则可为环形或多边形，内部留有用于安装颗粒换热器7的空间，在此不作具体限定。

从颗粒换热器7数量的角度来看：当颗粒换热器7的数量为至少两个时，单个或多个吸热部1的背阴端则可形成一内环面，该内环面上即可分为横向排列的至少两个换热区域，数量与颗粒换热器7的数量一致，不同换热区域与不同颗粒换热器7对应。同时，每一颗粒换热器7上均设有一颗粒流量调节阀9，用于针对不同换热区域的太阳能辐射强度不同的情况下，对颗粒换热器7内的颗粒流动速度进行调整，控制换热速率，保证颗粒的输出温度。

由于太阳能在各个方向的辐射能量不同，因而分成不同的换热区域，可使得不同换热区域对应的不同颗粒流动空间内的颗粒温度稳定，保持每一颗粒流动空间中颗粒温度的均匀性。例如，当固体吸热层101的水平截面为中空圆环时，则可以圆心进行等分，分为若干换热区域；当水平截面为中空多边形时，则可以每条边对背阴端进行划分，分为若干换热区域。

在本实施例中，吸热部1包括固体吸热层101和导热层102。导热层102贴合于固体吸热层101背阴端一侧的面上，由固体吸热层101对太阳能辐射进行吸收，并由导热层102进行传导。蒸发端2可穿设于导热层102或贴合于导热层102，从而吸收导热层102内的热量对相变工质进行加热。

进一步地，参看图4和图5，当吸热部的数量为一个时，固体吸热层101的水平截面为圆环或多边形，具体可根据实际需要进行设计优化，在此不作具体限定。固体吸热层101的材料则可为耐高温非金属吸热材料，例如氧化镁、刚玉等，价格低廉且耐热震性能强。无需高强度合金材料，大大降低了吸热器的造价。另外，吸热材料本身具有一定的蓄热能力，在天气波动时为颗粒流量控制提供一定的缓冲时间，保证了颗粒温度的均匀性。

导热层102的材料则可为高导热系数的材料，例如石墨或石墨烯等。

参看图2和图3，在本实施例中，颗粒换热器7具体可包括颗粒输入端10和颗粒输出端11、外壳体和内壳体，外壳体套设于内壳体并配合形成颗粒通道。颗粒通道具体可为竖向设置，从而实现颗粒的重力堆积流动。颗粒输入端10设于颗粒换热器7的壳体顶端，并与颗粒通道的顶端相连通。颗粒输出端11设于颗粒换热器7的壳体底端，与颗粒通道的底端相连通。因为换热的方式为热管的冷凝端5伸入颗粒通道内进行换热，因此将在外壳体内设置一内壳体形成颗粒通道可限制颗粒通道的宽度，以保证颗粒得到充分换热。

进一步地，还可包括设于颗粒换热器7上的颗粒流量调节阀9，具体可安装在颗粒输出端11，用于调节颗粒通道内的颗粒流通速度。

在本实施例中，换热模块的热管可为若干闭式脉动热管8。若干闭式脉动热管8依次竖向设于对应的换热空间内，每一闭式脉动热管8均为闭式循环。闭式脉动热管8包括蒸发段和冷凝段，蒸发段穿设于固体吸热层101或贴合于固体吸热层101的内壁面。冷凝段穿设于颗粒换热器7或贴合于颗粒换热器7的外壁面，从而与颗粒进行换热。

具体地，参看图1和图5，闭式脉动热管8的蒸发段可包括若干蒸发管，冷凝段可包括若干冷凝管。蒸发管和冷凝管依次首尾相连，蒸发管和冷凝管均可为U型管，相互连接之后即可形成一闭式循环的蛇形管路。蒸发管的部分在固体吸热层101处接受热量加热相变工质；冷凝管的部分在颗粒通道处进行换热冷凝，加热颗粒并冷凝相变工质。蒸发管具体可部分穿设于导热层102或贴合于导热层102；同样，冷凝管可部分穿设于颗粒通道或贴合于颗粒通道的外壁面。

进一步地，可在闭式脉动热管8上设置单向阀4，以确保管路内的相变工质始终保持单向流动，形成相变工质的内循环。

进一步地，蒸发管上与固体吸热层101接触的部分可设置若干第一翅片3，用于增强固体吸热层101与蒸发管之间的热量传递速率。冷凝管上与颗粒通道接触的部分可设置若干第二翅片6，用于增强冷凝管与颗粒通道之间的热量传递速率。其中，第一翅片3和第二翅片6均可为长条形翅片或十字翅片，翅片的尺寸、形状以及排布方式可根据具体的换热效率需求进行调整，在此不作具体限定。

在本实施例中，相变工质具体可包括但不限于常压、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。

下面对本实施例的外接式颗粒吸热器内的相变工质的循环流程进行说明：由于太阳能在各个方向的辐射能量不同，换热空间分多个方向布置，分别吸收各个方面的太阳能，通过各方向对应颗粒换热器7的流量以调节吸热速率。太阳能首先被固体吸热层101吸收转为热能，并将热量通过导热层102传递给闭式脉动热管8的蒸发管，蒸发管内液态的相变工质吸收导热层102的热量蒸发形成高压气体，并向冷凝管流动，在冷凝管被颗粒通道内的冷颗粒吸收潜热冷却成液态后，又回至导热层102处吸热蒸发，从而完成工质循环和热量传递。管内由于毛细管力和弯曲力的作用形成气塞和液塞间隔随机分布的振荡状态。

下面对本实施例的外接式颗粒吸热器的颗粒的运行流程进行说明：冷颗粒从颗粒换热器7顶部的颗粒输入端10进入颗粒通道，通过与第二翅片6和冷凝管换热升温，并使相变工质冷凝。颗粒换热器7沿多个方向分别设置于不同的换热空间内，每一颗粒换热器7内的颗粒流量均可单独调节。此布置的好处在于太阳辐射能在多个角度上并不均匀，导致闭式脉动热管8的换热速率不相同，通过多个方向布置颗粒换热器7，分别调节颗粒流量，控制换热速率，保证颗粒输出端11的颗粒温度。

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：

闭式脉动热管8内的相变工质的蒸发温度为800℃。当固体吸热层101接收太阳辐射能升温后，通过内部发热导热层102迅速将热量传递至蒸发管，蒸发管内的相变工质蒸发产生气泡，并迅速膨胀和升压，驱动相变工质往冷凝管移动。单向阀4使工质只能单向循环，保证了工质流动方向的一致性。工质气泡在流经冷凝管后，被冷颗粒降温冷凝成液态，液相的相变工质回至蒸发管重新吸收热量，完成整个工质循环并将热量传递给颗粒。颗粒吸收工质潜热后升温至700℃，并进入后续的热颗粒储罐内储存。

当太阳辐射DNI值升高时，热管气泡量增加，蒸发管和冷凝管的压力差增加，工质循环速度增加。通过增加颗粒流量调节气相相变工质冷凝速度，维持闭式脉动热管8内压力差。当太阳辐射DNI值降低时，一定时间内固体吸热层101储蓄的热量仍旧能维持蒸发管内气泡的发生量。但当太阳辐射DNI值持续降低时，蒸发管内气泡量逐渐减少，蒸发管和冷凝管的压力差减小，工质循环速度减小。通过降低颗粒流量调节气相工质冷凝速度，维持闭式脉动热管8内压力差。颗粒换热器7采用模块设计，并根据各换热空间内闭式脉动热管8的压力差调节颗粒换热器7内的颗粒流量，维持颗粒换热器7出口颗粒温度的均匀性。

太阳辐射DNI变化时，蒸发管和冷凝管温度始终维持在800℃左右，热管热震较小，大大延长了设备寿命。

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。采用吸热部1对太阳能进行吸收，并由热管内的相变工质作为中间换热介质，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。而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％。本实施例的吸热部1整体均可接受太阳辐射照射，截断效率高达95％以上，而热管内的相变工质传热能力极强，颗粒换热效率达99％，因此综合热效率比腔式吸热器高，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。

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 (11)

1.一种外接式颗粒吸热器，其特征在于，包括吸热部(1)、热管和颗粒换热器(7)；

所述吸热部(1)包括向阳端和背阴端，所述颗粒换热器(7)设置在背阴端一侧；

所述热管的蒸发端(2)与所述吸热部(1)传热接触；所述热管的冷凝端(5)与所述颗粒换热器(7)内的颗粒传热接触；

其中，所述蒸发端(2)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(7)内流通的颗粒的温度。

2.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述吸热部(1)的向阳端设置为固体吸热层(101)，背阴端设置为导热层(102)；

所述蒸发端(2)与所述导热层(102)传热接触。

3.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，单个或数个所述吸热部(1)围设于所述颗粒换热器(7)四周。

4.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述蒸发端设有若干第一翅片(3)。

5.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述冷凝端设有若干第二翅片(6)。

6.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述热管为闭式脉动热管(8)。

7.如权利要求1所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述热管上设有单向阀(4)。

8.如权利要求3所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述颗粒换热器(7)的数量至少为两个，所述背阴端包括横向排列的至少两个换热区域，不同所述颗粒换热器(7)与不同的换热区域对应；

各所述颗粒换热器(7)的颗粒输出端均设有颗粒流量调节阀(9)。

9.如权利要求3所述的外接式颗粒吸热器，其特征在于，所述颗粒换热器(7)的数量至少为两个，不同所述颗粒换热器(7)与不同吸热部(1)对应；

各所述颗粒换热器(7)的颗粒输出端均设有颗粒流量调节阀(9)。

10.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。

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

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