CN113108489A - 一种颗粒吸热器及太阳能发电系统 - Google Patents

一种颗粒吸热器及太阳能发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种颗粒吸热器及太阳能发电系统，通过将换热部设置在壳体内，换热部与壳体之间形成的间隙设置为冷颗粒存储空间，用于存储待换热的冷颗粒；同时设置吸热部用于吸收太阳能，并与换热部传热接触，对换热部内的颗粒进行加热。这种设置方式将冷颗粒储罐和吸热器合为一体，利用冷颗粒存储空间作为冷颗粒存储罐，既省去了冷颗粒存储罐以及冷颗粒缓冲罐，精简了系统结构，节约了系统空间，大幅减少系统成本。

Description

一种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℃，极大提高了太阳能热发电厂后端的热点效率；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，影响储换热系统性能。现有颗粒吸热器均存在系统复杂、设备占用空间大、吸热效率低等缺点，作为需要建在两百米高的吸热塔塔顶的关键设备，这些缺点会大幅增加系统成本，明显降低系统的可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种颗粒吸热器及太阳能发电系统，以解决现有颗粒吸热器占用空间大、系统复杂的问题。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
本发明的一种颗粒吸热器，包括壳体、吸热部和换热部；
所述吸热部与所述换热部传热接触；
所述换热部设于所述壳体内，并与所述壳体之间形成冷颗粒存储空间。
本发明的颗粒吸热器，所述换热部包括热管和换热腔体；热管与换热腔体之间设置有换热空间；
所述换热腔体包括颗粒分配区和颗粒换热区，所述颗粒分配区设置在壳体临近所述吸热部的一端，所述颗粒换热区一端与所述颗粒分配区连通，另一端与所述壳体外部的颗粒收集器连通；
热管的蒸发端与所述吸热部传热接触，冷凝端设置在所述颗粒换热区内。
本发明的颗粒吸热器，所述换热腔体至少包含两个所述颗粒换热区。
本发明的颗粒吸热器，所述吸热部设置在所述壳体的一侧，所述吸热部为辐射吸收板。
本发明的颗粒吸热器，所述热管内填充有液态金属。所述液态金属的熔点低于换热腔体内颗粒的最低温度，蒸发点高于颗粒换热区内颗粒的温度。
本发明的颗粒吸热器，还包括颗粒流化部，所述颗粒流化部的输入端与所述冷颗粒存储空间连通，所述颗粒流化部的输出端与所述颗粒分配区连通，用于将颗粒流化并输出至所述换热部内。
所述颗粒流化部包括颗粒流化器、空气压缩机；所述空气压缩机的输出端与所述颗粒流化器相连；所述颗粒流化器的输入端与所述冷颗粒存储空间连通，所述颗粒流化器的输出端与所述颗粒分配区的输入端连通。
本发明的颗粒吸热器，还包括旋风分离器和排气管道；
所述旋风分离器的输入端与所述颗粒收集器的连通；
所述旋风分离器还包括用于排出颗粒的第一输出端和用于排出气体的第二输出端；所述第二输出端通过所述排气管道与所述冷颗粒存储空间连通。
本发明的颗粒吸热器，所述颗粒流化部的输出端与颗粒分配区之间设置有颗粒流化管道，所述颗粒流化管道设置有止回阀。
本发明的颗粒吸热器，所述壳体上设有与所述冷颗粒存储空间连通的颗粒输入端和颗粒输出端。
本发明的一种太阳能发电系统，包括上述任意一项所述的颗粒吸热器。
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将换热部设置在壳体内，换热部与壳体之间形成的间隙设置为冷颗粒存储空间，用于存储待换热的冷颗粒；同时设置吸热部用于吸收太阳能，并与换热部传热接触，对换热部内的颗粒进行加热。这种设置方式将冷颗粒储罐和吸热器合为一体，利用冷颗粒存储空间作为冷颗粒存储罐，省去了冷颗粒存储罐以及冷颗粒缓冲罐，精简了系统结构，节约了系统空间，大幅减少系统成本。
2、本发明一实施例通过将辐射吸收板直接设置在壳体上，使得热管完全处在换热腔体内，不存在空腔开口，热损失很小，且不受外界环境条件的影响。
3、本发明一实施例通过颗粒流化部将冷颗粒进行流化，并输出流化状态下的颗粒至换热部内，使得流化颗粒在换热空间内与热管进行换热，克服了颗粒导热性能差的缺点，提高了吸热器效率，且可通过颗粒流化部控制颗粒流量和流速，提高了系统稳定性，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。
4、本发明一实施例中，冷颗粒存储空间内的低温颗粒由于处于静止状态，与换热管之间的换热系数很低，有效发挥了保温层的作用，同时，换热管向外逸散的小部分能量也被低温颗粒吸收并最终用于发电，明显提高了能量的利用率，节省了颗粒吸热器保温层的材料用量，既减少吸热器的尺寸，也节约了保温材料费用。
5、本发明一实施例通过设置旋风分离器将热颗粒和热空气进行分离，并将热空气通过排气管道引入冷颗粒存储空间内，由其内的冷颗粒对热空气的热量进行吸收利用，减小了系统的热损失，提高了热能利用率。
附图说明
图1为本发明的颗粒吸热器的示意图；
图2为本发明的颗粒吸热器的换热部的示意图；
图3为本发明的颗粒吸热器的换热部的另一示意图。
附图标记说明：1：颗粒输入端；2：壳体；3：热管；4：辐射吸收板；5：颗粒分配区；6：止回阀；7：颗粒流化器；8：布风板；9：流量调节阀；10：空气压缩机；11：旋风分离器；12：颗粒收集器；13：排气管道；14：冷颗粒存储空间；15：换热空间；16：颗粒流化管道；17：颗粒输出端；18：换热管。
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，一种颗粒吸热器，包括壳体2、吸热部、换热部。
吸热部用于接收镜场的辐射能量，并与换热部内的颗粒传热接触。
换热部设于壳体2内，并与壳体2之间形成冷颗粒存储空间14；
壳体2上设有与所述冷颗粒存储空间14连通的颗粒输入端1和颗粒输出端17，颗粒输入端1用于接收外部冷颗粒，颗粒输出端17用于输出颗粒至换热部内。
本实施例通过将换热部设置在壳体2内，由换热部与壳体2之间配合形成的间隙作为冷颗粒存储空间14，将冷颗粒储罐和吸热器合为一体，利用换热部外的空间作为冷颗粒存储罐，既省去了冷颗粒存储罐以及冷颗粒缓冲罐，精简了系统结构，节约了系统空间，大幅减少系统成本。
下面对本实施例的颗粒吸热器的具体结构进行进一步说明：
参看图2和图3，在本实施例中，吸热部为辐射吸收板4，辐射吸收板4由吸收率高的耐高温材料制成，直接接收来自镜场的辐射能量，并将能量传递给与之相连的换热部。
在本实施例中，换热部包括若干热管3和换热腔体，热管与换热腔体之间设有换热空间15。换热腔体内包括连通的颗粒分配区5和颗粒换热区，换热腔体可直接设置在壳体2内并与壳体2的内壁面配合形成颗粒分配区5，即颗粒分配区5设置在壳体2靠近吸热部的一端，颗粒换热区的输入端与颗粒分配区5连通，输出端与壳体外的颗粒收集器12连通。
其中，换热腔体具体可包括容置壳和若干换热管18。容置壳具体可为长方形中空壳体2，内腔则为颗粒分配区5。进一步地，可将壳体2的外侧替换为辐射吸收板4，容置壳则直接与辐射吸收板4设置为一体，由辐射吸收板4配合容置壳形成颗粒分配区5。
各换热管18的输入端分别与容置壳背离吸热部的面相连并与颗粒分配区5连通，输出端则与颗粒收集器12连通。换热管18的中空内腔则为上述的颗粒换热区，热管3的数量与换热管18的数量相匹配，此时热管3的蒸发端即可直接在颗粒分配区5内与辐射吸收板4相连，以接收辐射吸收板4的热量，冷凝端则伸入于对应的换热管18内，配合形成换热空间15，颗粒在换热空间15内流动并与热管3进行换热。
其中，热管3内为熔点低于换热腔体内颗粒的最低温度至少50℃，而蒸发点高于颗粒换热区内颗粒的温度至少200℃的液态金属，用于迅速带走辐射吸收板4的热量并将其传递给流化颗粒。
在本实施例中，颗粒吸热器还可包括颗粒流化部。其中，颗粒流化部的输出端与容置壳的输入端连通，用于将颗粒流化并输出至颗粒分配区5和换热空间15内(流化是固体颗粒在流体作用下表现出类似流体状态的现象)。换热管18的输出端与颗粒收集部连通，用于收集换热空间15内经过换热后的热颗粒。
进一步地，颗粒收集器的输出端可进一步设置旋风分离器11、排气管道13。颗粒收集器12具体可为一长方体壳体2，输入端与换热管18的输出端连通，颗粒收集器12的输出端与旋风分离器11的输入端连通，用于将换热空间15内的流化颗粒集中并输送到旋风分离器11中。
其中，旋风分离器11还包括用于排出颗粒的第一输出端和用于排出气体的第二输出端，第二输出端与排气管道13的第一端连通，用于将被加热后的颗粒和空气分离并收集热颗粒，热颗粒通过第一输出端输出，热空气通过第二输出端输出。排气管道13的第二端则与冷颗粒存储空间14连通，用于将旋风分离器11分离后的热空气输送到壳体2内的冷颗粒存储空间14，回收余热。
颗粒流化部具体可包括颗粒流化器7、空气压缩机10、布风板8、流量调节阀9、颗粒流化管道16和止回阀6。
空气压缩机10的输出端与颗粒流化器7的气体输入端相连，用于产生加压空气并输出至颗粒流化器7中来流化颗粒。
颗粒流化器7用于输入颗粒的输入端则与颗粒输出端17通过管道连通，并设置有流量调节阀9，用于根据入射太阳能强度调节进入流化器的颗粒流量，保证将颗粒加热到需求温度。颗粒流化器7的输出端与容置壳通过颗粒流化管道16连通，用于将流化后的颗粒输送至容置壳内的颗粒分配区5，该颗粒流化管道16处设置有止回阀6，用于防止颗粒分配区5内的流化颗粒倒流。
布风板8设于颗粒流化器7的加压空气输入的位置，用于将带压空气均匀送入颗粒流化器7内对颗粒进行流化。
通过颗粒流化器7将冷颗粒进行流化，并输出流化状态下的颗粒至容置壳内，使得流化颗粒在换热空间15内与热管进行换热，克服了颗粒导热性能差的缺点，提高了吸热器效率，且可通过颗粒流化器控制颗粒流量和流速，提高了系统稳定性，解决了现有颗粒吸热器吸热效率低的问题。
下面通过颗粒的流动路径对本实施例进行说明：流化颗粒经颗粒流化管道16进入颗粒分配区5，带走部分辐射吸收板4的热量，随后沿着热管3外壁进入换热管18内的换热空间15与热管3快速换热。颗粒收集器12与换热空间15连通，统一收集升温后的流化颗粒。旋风分离器11与颗粒收集器12相连，收集器中的颗粒在压力驱动下进入旋风分离器11，旋风分离器11将颗粒与气体分离。
下面对本实施例的颗粒吸热器的具体运行流程进行进一步说明：在颗粒吸热器运行之前壳体2内的冷颗粒存储空间14已经存储了冷颗粒，首先打开流量调节阀9和空气压缩机10，将冷颗粒在颗粒流化器7内流化，然后开启止回阀6使得流化状态的颗粒通过颗粒流化管道16进入颗粒分配区5，并在空气压缩机10提供的压力驱动下进入换热空间15，之后启动镜场，辐射吸收板4被来自镜场的太阳辐射加热并将热量传递给与之相连的热管3，液态金属受热蒸发并在毛细作用下向热管3的冷凝端流动，同时颗粒分配区5内的流体也会带走辐射吸收板4的部分热量，保证辐射吸收板4的温度不会超温。流化颗粒经颗粒分配区5进入换热空间15与热管3进行快速的热交换，通过控制流量调节阀9的开度保证将颗粒升温至设计点温度，颗粒换热通道外的低温颗粒由于处于静止状态，与换热管18的换热系数很低，有效发挥了保温层的作用，而且换热管18向外逸散的小部分能量也被低温颗粒吸收并最终用于发电，明显提高了能量的利用率。随后高温颗粒进入流化颗粒收集器12集中收集后输送到旋风分离器11中，旋风分离器11将高温颗粒与热空气分离，高温颗粒进入对应的储罐，而高温热空气经排气管道13进入低温冷颗粒存储空间14回收余热。
实施例二
本发明的一种太阳能发电系统，包括上述实施例一中的颗粒吸热器。通过将换热部设置在壳体2内，由容置壳和若干换热管18与壳体2之间配合形成的间隙作为冷颗粒存储空间14，将冷颗粒储罐和吸热器合为一体，利用换热部外的空间作为冷颗粒存储罐，既省去了冷颗粒存储罐以及冷颗粒缓冲罐，精简了系统结构，节约了系统空间，大幅减少系统成本。
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)

1.一种颗粒吸热器，其特征在于，包括壳体(2)、吸热部和换热部；
所述吸热部与所述换热部传热接触；
所述换热部设于所述壳体(2)内，并与所述壳体(2)之间形成冷颗粒存储空间(14)。
2.如权利要求1所述的颗粒吸热器，其特征在于，所述换热部包括热管(3)和换热腔体；热管(3)与换热腔体之间设置有换热空间(15)；
所述换热腔体包括颗粒分配区(5)和颗粒换热区，所述颗粒分配区(5)设置在壳体(2)临近所述吸热部的一端，所述颗粒换热区一端与所述颗粒分配区(5)连通，另一端与所述壳体(2)外部的颗粒收集器(12)连通；
热管(3)的蒸发端与所述吸热部传热接触，冷凝端设置在所述颗粒换热区内。
3.如权利要求2所述的颗粒吸热器，其特征在于，所述换热腔体至少包含两个所述颗粒换热区。
4.如权利要求1所述的颗粒吸热器，其特征在于，所述吸热部设置在所述壳体(2)的一侧，所述吸热部为辐射吸收板(4)。
5.如权利要求2所述的颗粒吸热器，其特征在于，所述热管(3)内填充有液态金属。
6.如权利要求2所述的颗粒吸热器，其特征在于，还包括颗粒流化部，所述颗粒流化部的输入端与所述冷颗粒存储空间(14)连通，所述颗粒流化部的输出端与所述颗粒分配区连通，用于将颗粒流化并输出至所述换热部内。
7.如权利要求6所述的颗粒吸热器，其特征在于，还包括旋风分离器(11)；
所述旋风分离器(11)的输入端与所述颗粒收集器(12)的连通；
所述旋风分离器(11)还包括用于排出颗粒的第一输出端和用于排出气体的第二输出端；所述第二输出端与所述冷颗粒存储空间(14)连通。
8.如权利要求6所述的颗粒吸热器，其特征在于，所述颗粒流化部的输出端与颗粒分配区之间设置有颗粒流化管道(16)，所述颗粒流化管道(16)设置有止回阀(6)。
9.如权利要求1所述的颗粒吸热器，其特征在于，所述壳体(2)上设有与所述冷颗粒存储空间(14)连通的颗粒输入端(1)和颗粒输出端(17)。
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任意一项所述的颗粒吸热器。
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