CN113154708A - 一种带有腔体吸收器的填充床集热储热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，所述腔体吸收器内形成有入射腔体，其底部连接储热罐，所述储热罐内形成有储热腔体，所述储热腔体与所述入射腔体连通，所述储热腔体内填充有储热介质，同时所述储热腔体内设有导热构件，所述导热构件用于将所述储热介质顶部的热量沿储热罐深度及宽度方向传导；所述储热罐上连接有工质入口管，所述腔体吸收器上连接有工质出口管，传热工质从所述工质入口管进入所述储热罐吸收储热介质热量，从所述工质出口管流出。解决了针对二次反射塔式系统热能储存辐射损失大、储热效果差的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能聚光集热技术领域，尤其是一种带有腔体吸收器的填充床集热储热装置。
背景技术
太阳能聚光集热技术是依靠聚光镜将太阳辐射引导至吸热器，以产生供发电设备使用的中高温传热工质，主要分为塔式、槽式及碟式聚光集热技术。传统塔式系统由于吸热器置于塔顶，安装和维护不方便，并且定日镜面积大，抗风性能要求高，而二次反射塔式系统具有将太阳光反射至地面的特点，其吸热器就放置在地面，定日镜面积相比于传统塔式系统小很多，所以二次反射塔式系统具有良好的发展前景。由于太阳能具有间歇性和不稳定性的特点，太阳能聚光集热系统需要配备储热装置以实现连续、稳定的电力供应，所以储热技术是光热发电技术的一个重要发展方向。
为了降低太阳能热发电的成本，许多研究将吸热器与储热器集成为一个装置，称为一体式光热吸储装置，太阳辐射能的转换及热能的存储过程都发生在这个装置内，吸热器与储热器之间不再需要用于热量传递的流体及其管路系统，大大简化了聚光光热系统的集热、储热装置。二次反射塔式系统作为一种比较新的技术，应用于其的一体式光热吸储装置还比较少，有些研究中使用岩石填充床吸收太阳辐射进行储热，且使用风机驱动空气流过填充床以加速储热过程，但由于岩石导热系数很小，岩石填充床上表面会有局部高温区域，辐射损失较大，且为了加快储热速率，单纯依靠风机所需要付出的电能损失较大，因此设计出一种集热储热速率快、效率高、成本低的一体式光热吸储装置对于二次反射塔式系统的推广具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，解决了针对二次反射塔式系统热能储存效果差、辐射损失大的技术问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，所述腔体吸收器内形成有入射腔体，其底部连接储热罐，所述储热罐内形成有储热腔体，所述储热腔体与所述入射腔体连通，所述储热腔体内填充有储热介质，同时所述储热腔体内设有导热构件，所述导热构件用于将所述储热介质顶部的热量沿储热罐深度及宽度方向传导；所述储热罐上连接有工质入口管，所述腔体吸收器上连接有工质出口管，传热工质从所述工质入口管进入所述储热罐吸收储热介质热量，从所述工质出口管流出。
其进一步技术方案为：
所述储热介质包括由上至下依次设置的金属填充层和岩石填充层，所述金属填充层顶面直接吸收来自入射腔体的太阳辐射能，所述导热构件将所述金属填充层的热量向所述岩石填充层中均匀传导。
所述金属填充层和岩石填充层的高度比为1∶9；所述金属填充层采用金属颗粒，所述岩石填充层采用的分别硅质石灰岩、石英岩、石灰岩、钙质砂岩和辉长岩中一种或几种的混合物。
所述导热构件包括若干沿所述储热腔体竖直方向的纵向金属杆、以及若干沿水平方向的横向金属杆；所述纵向金属杆顶端位于所述金属填充层中，底端延伸至所述岩石填充层底部，所述横向金属杆沿轴向间隔分布有多层，每层横向金属杆将相邻的纵向金属杆相互连接，并将各纵向金属杆与所述储热罐内壁连接，使所述导热构件形成金属架结构。
其中一根纵向金属杆沿所述储热腔体的中心轴线设置，其余纵向金属杆以中心轴线为中心对称分布；所述横向金属杆将处于中心轴线上的纵向金属杆与其余各纵向金属杆分别连接，同时将中心对称分布的各纵向金属杆沿周向顺次连接。
所述储热腔体为圆柱形，沿中心轴线设置的纵向金属杆与其余各纵向金属杆之间的距离为所述储热腔体内径的1/4。
纵向金属杆、横向金属杆的直径相同，为所述储热腔体内径的1/50-1/40。
所述纵向金属杆在所述岩石填充层中长度与在所述金属填充层中长度的比值范围17∶1-18∶1。
所述储热罐内底部安装均流分布器，所述工质入口管出口与所述均流分布器入口相对，所述工质入口管上设有风机，所述工质出口管设置有多根，对称设置在所述腔体吸收器的侧壁上。
所述腔体吸收器的入射腔体顶部开口处安装复合抛物面聚光器；所述腔体吸收器的本体由两层材料构成，从内向外依次为Al2O3-SiO2隔热材料与泡沫玻璃隔热材料；所述腔体吸收器与所述储热罐通过法兰连接；所述储热罐的本体由三层材料构成，从内向外依次为纳米微孔隔热材料、泡沫玻璃隔热材料和混凝土。
本发明的有益效果如下：
本发明实现了集热与储热的一体化，采用导热性能良好的金属填充层吸收太阳辐射，又用导热性能良好的导热构件将热量传导至岩石填充层中进行存储，解决了填充床上表面局部温度过高及储热速率慢的问题。
本发明的导热构件可将热量沿轴向、径向均匀传递给储热介质，提高了储热效率，降低了储热介质的辐射热损失。
本发明装置在储热时，不再需要用风机驱动空气，减少了电能损耗。
本发明放热可控，放热时改变风机功率即可改变传热工质的出口温度。
本发明储热介质金属填充层与岩石填充层高度设置合理，主体是价格低廉的岩石材料，成本低。
附图说明
图1为本发明装置具体实施方式的纵剖面结构示意图。
图2为本发明装置具体实施方式的储热腔体的横剖面结构示意图。
图中：1、腔体吸收器；2、储热罐；3、横向金属杆；4、工质入口管；5、工质出口管；6、均流分布器；7、复合抛物面聚光器；8、金属填充层；9、岩石填充层；10、法兰；11、风机；12、纵向金属杆。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，腔体吸收器1内形成有入射腔体，其底部连接储热罐2，储热罐2内形成有储热腔体，储热腔体与入射腔体连通，且储热腔体内填充有储热介质，储热罐2内设置有导热构件，导热构件用于将储热介质顶部热量向储热腔体的深度及宽度方向传导；储热罐2上连接工质入口管4，腔体吸收器1上连接工质出口管5，传热工质从工质入口管4进入储热罐2吸收储热介质热量，从工质出口管5流出。
上述实施例中，储热介质包括由上至下依次设置的金属填充层8和岩石填充层9，金属填充层8顶面直接吸收来自入射腔体的太阳辐射能，导热构件将金属填充层8的热量向岩石填充层9中均匀传导。金属颗粒和岩石相比导热性能好，导热速率大，通过导热构件将热量传递至岩石层中，解决顶面温度过高、内部储热速率慢的问题。
作为优选方式，金属填充层8和岩石填充层9的高度比为1：9，确保储热性能提高的同时控制成本。金属填充层8采用金属颗粒，例如铜或不锈钢颗粒，岩石填充层9采用的分别硅质石灰岩、石英岩、石灰岩、钙质砂岩和辉长岩中一种或几种的混合物。
作为优选方式，导热构件包括若干沿储热腔体竖直方向的纵向金属杆12、以及若干沿水平方向的横向金属杆3；纵向金属杆12顶端位于金属填充层8中，底端延伸至岩石填充层9底部，横向金属杆3沿轴向间隔分布有多层，每层横向金属杆3将相邻的纵向金属杆12相互连接，并将各纵向金属杆12与储热罐2内壁连接，使导热构件形成金属架结构。
作为优选方式，如图2所示，纵向金属杆12设置有四根，其中一根纵向金属杆12沿储热腔体的中心轴线设置，其余三根纵向金属杆12以中心轴线为中心对称分布；横向金属杆3将处于中心轴线上的纵向金属杆12与其余三根纵向金属杆12分别连接，同时将中心对称分布的三根纵向金属杆12沿周向顺次连接，在横截面上形成三角形结构。
作为优选方式，如图1所示，横向金属杆3沿轴向间隔分布有两层，即在纵向金属杆12三等分点位置处分别通过横向金属杆3将相邻的纵向金属杆12之间连接，并将处于外周的纵向金属杆12与储热罐2内壁之间连接。
纵向金属杆12起到在竖直方向加速导热、储热的作用，横向金属杆3一方面起到固定纵向金属杆12以提高稳定性的作用，另一方面起到在水平方向上加速导热、储热的作用。
作为优选方式，所述金属杆的材料与上述金属颗粒的材料一致，可以采用铜或者不锈钢。
作为优选方式，储热腔体横截面为圆，沿中心轴线设置的纵向金属杆12与其余纵向金属杆12之间的距离为储热腔体内径的1/4。
作为优选方式，纵向金属杆12、横向金属杆3的直径相同，为储热腔体内径的1/50-1/40。
作为优选方式，纵向金属杆12在岩石填充层9中长度与在金属填充层8中长度的比值范围17∶1-18∶1。
储热罐2内底部安装均流分布器6，以使流入填充床的传热工质在横截面上流速均匀。
工质入口管4出口与均流分布器6入口对接，工质入口管4上设有风机11，以在放热时驱动传热工质；工质出口管5设置有多根，对称设置在腔体吸收器1的侧壁上。例如，工质出口管5可设置四根，沿腔体吸收器1的侧壁均布。
上述实施例中，腔体吸收器1的入射腔体顶部开口处安装有复合抛物面聚光器7，腔体吸收器1的本体由两层材料构成，从内向外依次为Al2O3-SiO2隔热材料与泡沫玻璃隔热材料，具体地，Al2O3-SiO2隔热材料与泡沫玻璃隔热材料之间粘接和/或采用紧固件连接。
储热罐2的本体由三层材料构成，从内向外依次为纳米微孔隔热材料、泡沫玻璃隔热材料和混凝土。具体地，纳米微孔隔热材料与泡沫玻璃隔热材料之间粘接和/或采用紧固件连接，泡沫玻璃隔热材料外涂覆一层混凝土。纳米微孔隔热材料具体为Microtherm型纳米微孔隔热材料。
上述实施例中，作为优选方式，腔体吸收器1与储热罐2都是中空圆柱形结构，轴线及内径一致，二者侧壁通过法兰10连接在一起。工作时，腔体吸收器1位于地面上，储热罐2则埋设于地面以下。
上述实施例中，传热工质采用空气等流体。
本实施例的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置的储热过程为：
经二次反射塔式系统的二次反射镜反射的太阳光受复合抛物面聚光器7的汇聚作用，射入腔体吸收器1，金属填充层8吸收太阳辐射后温度升高，并通过导热构件将吸收的热量向岩石填充层9传递，因为导热构件的金属杆在竖直方向(轴向)、水平方向(径向)上有分布，所以岩石填充层9中的径向温度分布较为均匀。储热结束时，热能存储在金属及岩石填充层中。
本实施例的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置的放热过程为：
开启风机11，从环境中抽取常温空气，空气从工质入口管4流入储热罐2，经过均流分布器6进入到填充层区域，与岩石填充层9、导热构件及金属填充层8进行换热，吸收热量后，由工质出口管5流出。当排出的空气温度达到某一设定温度时，即认为填充床集热储热装置已放完存储的热量，关闭风机11，结束放热。
Claims (10)
1.一种带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述腔体吸收器(1)内形成有入射腔体，其底部连接储热罐(2)，所述储热罐(2)内形成有储热腔体，所述储热腔体与所述入射腔体连通，所述储热腔体内填充有储热介质，同时所述储热腔体内设有导热构件，所述导热构件用于将所述储热介质顶部的热量沿储热罐(2)深度及宽度方向传导；所述储热罐(2)上连接有工质入口管(4)，所述腔体吸收器(1)上连接有工质出口管(5)，传热工质从所述工质入口管(4)进入所述储热罐(2)吸收储热介质热量，从所述工质出口管(5)流出。
2.根据权利要求1所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述储热介质包括由上至下依次设置的金属填充层(8)和岩石填充层(9)，所述金属填充层(8)顶面直接吸收来自入射腔体的太阳辐射能，所述导热构件将所述金属填充层(8)的热量向所述岩石填充层(9)中均匀传导。
3.根据权利要求2所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述金属填充层(8)和岩石填充层(9)的高度比为1∶9；所述金属填充层(8)采用金属颗粒，所述岩石填充层(9)采用的分别硅质石灰岩、石英岩、石灰岩、钙质砂岩和辉长岩中一种或几种的混合物。
4.根据权利要求2所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述导热构件包括若干沿所述储热腔体竖直方向的纵向金属杆(12)、以及若干沿水平方向的横向金属杆(3)；所述纵向金属杆(12)顶端位于所述金属填充层(8)中，底端延伸至所述岩石填充层(9)底部，所述横向金属杆(3)沿轴向间隔分布有多层，每层横向金属杆(3)将相邻的纵向金属杆(12)相互连接，并将各纵向金属杆(12)与所述储热罐(2)内壁连接，使所述导热构件形成金属架结构。
5.根据权利要求4所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，其中一根纵向金属杆(12)沿所述储热腔体的中心轴线设置，其余纵向金属杆(12)以中心轴线为中心对称分布；所述横向金属杆(3)将处于中心轴线上的纵向金属杆(12)与其余各纵向金属杆(12)分别连接，同时将中心对称分布的各纵向金属杆(12)沿周向顺次连接。
6.根据权利要求5所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述储热腔体为圆柱形，沿中心轴线设置的纵向金属杆(12)与其余各纵向金属杆(12)之间的距离为所述储热腔体内径的1/4。
7.根据权利要求6所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，纵向金属杆(12)、横向金属杆(3)的直径相同，为所述储热腔体内径的1/50-1/40。
8.根据权利要求4所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述纵向金属杆(12)在所述岩石填充层(9)中长度与在所述金属填充层(8)中长度的比值范围17∶1-18∶1。
9.根据权利要求1所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述储热罐(2)内底部安装均流分布器(6)，所述工质入口管(4)出口与所述均流分布器(6)入口相对，所述工质入口管(4)上设有风机(11)，所述工质出口管(5)设置有多根，对称设置在所述腔体吸收器(1)的侧壁上。
10.根据权利要求1所述的带有腔体吸收器的填充床集热储热装置，其特征在于，所述腔体吸收器(1)的入射腔体顶部开口处安装复合抛物面聚光器(7)；所述腔体吸收器(1)的本体由两层材料构成，从内向外依次为Al2O3-SiO2隔热材料与泡沫玻璃隔热材料；所述储热罐(2)的本体由三层材料构成，从内向外依次为纳米微孔隔热材料、泡沫玻璃隔热材料和混凝土；所述腔体吸收器(1)与所述储热罐(2)通过法兰(10)连接。
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