CN113758032B - 一种腔式吸热器及吸储热系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腔式吸热器及吸储热系统，在腔式吸热器本体的前壁上设置有腔式吸热口，并在前壁的外表面上设置吸热管组，且吸热管组位于腔式吸热口的至少一侧；镜场的太阳能汇集至腔式吸热口处，腔式吸热口内的能流密度较高，太阳能通过腔式吸热口进入腔式吸热器内对颗粒进行加热，从而实现颗粒吸热器的功能；而腔式吸热口周围的能流密度相对较低，但仍可满足吸热温度较低的吸储热介质的能流密度要求，故可由吸热管组对该部分热量进行吸收。采用吸热温度不同的吸储热介质，吸热温度较高的介质匹配SCO₂循环发电，吸热温度较低的介质匹配蒸汽朗肯循环发电。两个循环系统均位于效率较高的温度区间，解决了现有腔式吸热器吸热效率较低的问题。

Description

一种腔式吸热器及吸储热系统

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种腔式吸热器及吸储热系统。

背景技术

随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，太阳能热发电技术得到了广泛的关注，但是光热发电技术的度电成本限制了其应用和发展。提高电站的发电效率是降低发电成本的重要措施之一。超临界二氧化碳（Supercritical carbon dioxide , SCO₂）布雷顿循环发电系统具有较高的发电效率，得到了学者的广泛关注。相关研究结果表明，对于550℃以下的热源温度，蒸汽朗肯循环的效率高于SCO₂循环；而当热源温度区间位于550℃以上时，SCO₂循环的效率明显高于朗肯循环和其他布雷顿循环。

目前光热电站采用二元熔盐作为吸储热介质，其最高使用温度为565℃，与蒸汽朗肯循环的最优温度区间具有较好的适配性。但为提高发电效率，SCO₂循环是更好的选择，因此需要匹配更高温度的吸储热技术。固体颗粒吸热温度高，价格低廉，能够成为提供SCO₂循环的最优温度区间的热源。

颗粒吸热器是颗粒吸储热技术的核心部件。颗粒吸热的温度较高，而腔式吸热器在高温吸热部分具有更高的吸热效率，但腔式吸热器吸热效率与吸热器开口面积呈反比，但是开口面积又与截断效率呈正比，因此导致腔式吸热器的综合热效率（截断效率与吸热效率的乘积）与传统外接式吸热器相比较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种腔式吸热器及吸储热系统，以解决现有腔式吸热器吸热效率较低的问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种腔式吸热器，包括腔式吸热器本体和吸热管组；

所述腔式吸热器本体的前壁设置有腔式吸热口；所述吸热管组设于所述前壁的外表面，且所述吸热管组位于所述腔式吸热口的至少一侧。

本发明的腔式吸热器，所述吸热管组的两端分别设置有热盐集箱和冷盐集箱。

本发明的腔式吸热器，所述吸热管组环绕所述腔式吸热口的中心设置并形成颗粒吸热口，所述颗粒吸热口不大于所述腔式吸热口。

本发明的腔式吸热器，还包括与所述腔式吸热器本体的前壁相对设置的后壁，所述后壁由相互密封连接的吸热管组组成。

本发明的腔式吸热器，还包括与所述腔式吸热器本体的前壁连接的侧壁，至少一个所述侧壁由相互密封连接的吸热管组组成；

所述侧壁连接前壁和后壁，形成腔式吸热器壳体。

本发明的腔式吸热器，所述腔式吸热器本体为自由下落式的腔式吸热器。

本发明的腔式吸热器，所述吸热管组为熔盐吸热管组。

本发明的一种吸储热系统，包括上述任意一项所述的腔式吸热器。

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、本发明一实施例在腔式吸热器本体的前壁上设置有腔式吸热口，并在前壁的外表面上设置吸热管组，且吸热管组位于腔式吸热口的至少一侧；镜场的太阳能汇集至腔式吸热口处，腔式吸热口内的能流密度较高，太阳能通过腔式吸热口进入腔式吸热器内对颗粒进行加热，从而实现颗粒吸热器的功能；而腔式吸热口周围的能流密度相对较低，但仍可满足吸热温度较低的吸储热介质的能流密度要求，故可由吸热管组对该部分热量进行吸收并利用。采用吸热温度不同的吸储热介质，吸热温度较高的介质匹配SCO₂循环发电，吸热温度较低的介质匹配蒸汽朗肯循环发电。两个循环系统均位于效率较高的温度区间，因此相比于现有的朗肯循环提高了发电效率，解决了现有腔式吸热器吸热效率较低的问题。

2、本发明一实施例采用的吸热管组为熔盐吸热管组，腔式吸热器内采用颗粒作为吸储热介质，而腔式吸热口周围则设置熔盐吸热管组，由熔盐对能流密度较低的区域进行吸热，颗粒的吸热温度高，匹配SCO₂循环发电，熔盐的吸热温度低，匹配蒸汽朗肯循环发电，两个循环系统均位于效率较高的温度区间，因此相比于现有的朗肯循环提高了发电效率。

3、本发明一实施例通过将吸热管组环绕腔式吸热口的中心设置，且形成颗粒吸热口，该颗粒吸热口不大于腔式吸热口，即减小了太阳能进入腔式吸热器本体的开口面积，可提升腔式吸热器的吸热效率。此时虽然腔式吸热器的截断效率降低，但未被吸热口截获的太阳辐射能通过四周的吸热管组吸收，因此吸热器整体的截断效率未降低，吸热器综合热效率相比于传统的腔式吸热器和外接式吸热器均有所提升。

4、本发明一实施例采用了在腔式吸热器壳体的周侧设置对应的吸热管组，即设置在前壁上，并将后壁和两个侧壁设置为相互密封连接的吸热管组组成的，即腔式吸热器壳体由吸热管组环绕而成，腔式吸热器壳体内的辐射损失和对流损失产生的热量通过温度较低的熔盐吸热管的内壁吸收，大大降低了热损失，提高了吸热器整体热效率。

5、本发明一实施例的腔式吸热器壳体采用自由下落式的腔式吸热器，颗粒会在下落过程中形成一道幕帘，而太阳光会穿透幕帘，导致大量热量被腔式吸热器本体的后壁吸收。而后壁吸热管组围绕而成，可吸收该部分太阳光，进一步增加吸热效率。

6、本发明一实施例中，由于太阳能会在腔式吸热器壳体内产生辐射损失和对流损失，产生的热量即可对设于外部的各个吸热管组的内侧进行加热，使得吸热管组内外均受热，增加了吸热面积，即可减少了吸热管数量，降低吸热管的成本。

7、本发明一实施例由于在腔式吸热器本体的周侧上均设置了对应的各个吸热管组，即由吸热管组围绕而成，可实现圆形镜场布置，增加了电站规模和土地利用率，降低了电站单位投资成本。

8、本发明一实施例在前壁上设置吸热管组，使得前壁以及腔式吸热口面对的能流密度限制较小，可面向镜场效率最高的镜场，因此可将更多的定日镜布置在镜场效率最高的镜场，提高了镜场效率。

附图说明

图1 为本发明的腔式吸热器的主视图；

图2 为本发明的腔式吸热器的剖视图；

图3 为本发明的腔式吸热器的俯视图；

图4 为本发明的腔式吸热器的A视角示意图；

图5 为本发明的腔式吸热器的B视角示意图；

图6 为本发明的腔式吸热器的C-C视角示意图；

图7为本发明的吸储热系统的示意图。

附图标记说明：1：腔式吸热器；101：腔式吸热器本体；102：热颗粒收集斗；103：冷颗粒入口；104：前壁吸热管组；105：前壁冷盐集箱；106：前壁热盐集箱；107：后壁吸热管组；108：后壁冷盐集箱；109：后壁热盐集箱；110：侧壁吸热管组；111：侧壁冷盐集箱；112：侧壁热盐集箱；2：颗粒热罐；3：颗粒/SCO₂换热器；4：颗粒冷罐；5：颗粒提升系统；6：熔盐热罐；7：熔盐SGS系统；8：熔盐冷罐。

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腔式吸热器及吸储热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。

参看图1至图7，在一个实施例中，包括腔式吸热器本体101和吸热管组；

所述腔式吸热器本体101的前壁设置有腔式吸热口；所述吸热管组设于所述前壁的外表面，且所述吸热管组位于所述腔式吸热口的至少一侧。

本实施例在腔式吸热器本体101的前壁上设置有腔式吸热口，并在前壁的外表面上设置吸热管组，且吸热管组位于腔式吸热口的至少一侧；镜场的太阳能汇集至腔式吸热口处，腔式吸热口内的能流密度较高，太阳能通过腔式吸热口进入腔式吸热器1内对颗粒进行加热，从而实现颗粒吸热器的功能；而腔式吸热口周围的能流密度相对较低，但仍可满足吸热温度较低的吸储热介质的能流密度要求，故可由吸热管组对该部分热量进行吸收并利用。采用吸热温度不同的吸储热介质，吸热温度较高的介质匹配SCO₂循环发电，吸热温度较低的介质匹配蒸汽朗肯循环发电。两个循环系统均位于效率较高的温度区间，因此相比于现有的朗肯循环提高了发电效率，解决了现有腔式吸热器1吸热效率较低的问题。

同时，在前壁上设置吸热管组，使得前壁以及腔式吸热口面对的能流密度限制较小，可面向镜场效率最高的镜场，因此可将更多的定日镜布置在镜场效率最高的镜场，提高了镜场效率。

下面对本实施例的腔式吸热器1的具体结构进行进一步说明：

参看图4，在本实施例中，为了方便下文中进行区分，故将设置在前壁上的吸热管组称为前壁吸热管组104。腔式吸热器1还可包括连接于前壁吸热管组104两端的热盐集箱和冷盐集箱。

进一步地，前壁吸热管组104为环绕腔式吸热口的中心设置，并形成颗粒吸热口，颗粒吸热口不大于腔式吸热口。通过将吸热管组环绕腔式吸热口的中心设置，且形成颗粒吸热口，该颗粒吸热口不大于腔式吸热口，即减小了太阳能进入腔式吸热器本体101的开口面积，可提升腔式吸热器1的吸热效率。此时虽然腔式吸热器1的截断效率降低，但未被吸热口截获的太阳辐射能通过四周的吸热管组吸收，因此吸热器整体的截断效率未降低，吸热器综合热效率相比于传统的腔式吸热器1和外接式吸热器均有所提升。

为了方便理解，故在此处进行进一步举例说明，由于吸热口大小与腔式吸热器1吸热效率成反比，与截断效率成正比。现有腔式吸热器1设计时，腔式吸热口的面积保证吸热效率高于85%，此时腔式吸热器1的截断效率较低，大量太阳辐射能外溢至吸热口四周区域。此时，周围的前壁吸热管组104可将外溢的能量吸收，以增加吸热器的综合热效率。

在本实施例中，腔式吸热器本体101上具体可包括与前壁相对设置的后壁，以及位于前壁和后壁之间的两个侧壁。四个壁可分别对应东南西北四个方向；如果是在北半球，则前壁为朝北的一侧，南半球则反之。

腔式吸热器1通常只有一面接收太阳光，因此镜场的布置规模受限，单个电站装机规模较小，规模效应难以显现，土地利用率较低，导致单位规模投资成本较高。针对这一问题，参看图3、图5和图6，本实施例的腔式吸热器1具体还可将后壁设置为由相互密封连接的吸热管组组成，也可进一步将至少一个侧壁设置为相互密封连接的吸热管组组成。此处为了便于区分，故下文中将位于后壁的吸热管组称为后壁吸热管组107，位于侧壁的吸热管组称为侧壁吸热管组110。

进一步地，后壁吸热管组107和侧壁吸热管组110的两端均分别与上述的热盐集箱和冷盐集箱相连。

其中，前壁吸热管组104、后壁吸热管组107和侧壁吸热管组110均由若干熔盐吸热管组成。

本实施例采用了在腔式吸热器1壳体的周侧设置对应的吸热管组，即设置在前壁上，并将后壁和两个侧壁设置为相互密封连接的吸热管组组成的，即腔式吸热器1壳体由吸热管组环绕而成，腔式吸热器1壳体内的辐射损失和对流损失产生的热量通过温度较低的熔盐吸热管的内壁吸收，大大降低了热损失，提高了吸热器整体热效率。同时，由于太阳能会在腔式吸热器本体101内产生辐射损失和对流损失，产生的热量即可对设于外部的各个吸热管组的内侧进行加热。即熔盐吸热管不仅被外部镜场投射的太阳辐射能加热，同时也被腔内颗粒辐射能和部分穿透幕帘的太阳辐射能加热，熔盐吸热管内外均处于受热状态，增加了熔盐吸热面积，减少了熔盐吸热管所需数量，降低了熔盐吸热器成本。

以及由于在腔式吸热器本体101的周侧上均设置了对应的各个吸热管组，即由熔盐吸热管围绕而成，可实现圆形镜场布置，增加了电站规模和土地利用率，降低了电站单位投资成本。即当电站位于北半球时，北镜场的效率最高。当电站位于南半球时，南镜场的效率最高。若想获得更高的镜场效率，尽量将定日镜布置在北镜场。但是熔盐吸热器对能流密度有限制，以防止熔盐超温发生分解，而北镜场过多的定日镜会导致吸热器北面超温。而本发明提供的吸热器，腔式吸热口部分采用颗粒吸热，对能流密度要求无限制，因而可以更多的将定日镜部署在北镜场，以提高镜场效率。

当然，本实施例的各个吸热管组两端的连接还可以有另一种实施方式，在该实施方式中，可将热盐集箱和冷盐集箱进行拆分，即前壁吸热管组104的两端分别与前壁热盐集箱106和前壁冷盐集箱105连通；后壁吸热管组107的两端分别与后壁热盐集箱109和后壁冷盐集箱108连通；侧壁吸热管组110的两端分别与侧壁热盐集箱112和侧壁冷盐集箱111连通。

在本实施例中，腔式吸热器本体101为自由下落式的腔式吸热器1。采用自由下落式的腔式吸热器1，颗粒会在下落过程中形成一道幕帘，而太阳光会穿透幕帘，导致大量热量被腔式吸热器本体101的后壁吸收。另外，颗粒吸热的温度较高，辐射能量较大，导致腔内温度较高。而腔式吸热器本体101由熔盐吸热管环绕而成，颗粒辐射的能量能够被熔盐吸热管迅速带走，一方面降低了颗粒的辐射损失，另一方面也降低了腔内平均温度，进而降低腔式吸热器1的对流损失，提高吸热效率。

进一步地，本实施例的腔式吸热器本体101的顶部设置冷颗粒入口103，底部设有热颗粒收集斗102。腔式吸热器本体101由耐热耐磨材料组成，敷设于腔式吸热器本体101的顶部、收集斗102及熔盐吸热管的部分内壁，以防止颗粒磨损吸热管内壁及设备本身。

综上，本实施例的腔式吸热器1，能同时提高镜场效率、吸热效率和发电效率，大大降低光热电站的度电成本。

实施例

参看图7，本实施例提供一种吸储热系统，包括上述实施例一中的腔式吸热器1，可以实现颗粒吸热器和熔盐吸热器的耦合。

具体可包括颗粒吸储热系统和熔盐吸储热系统。其中，颗粒吸储热系统具体可包括依次连接的颗粒热罐2、颗粒/SCO₂换热器3、颗粒冷罐4以及颗粒提升系统5，颗粒热罐2的输入端与腔式吸热器1的热颗粒收集斗102的输出端连通，而颗粒提升系统5则可将冷颗粒罐内的颗粒提升至腔式吸热器1顶部的冷颗粒入口103，从而实现循环。

熔盐吸储热系统则具体可包括依次连接的熔盐热罐6、熔盐SGS系统7和熔盐冷罐8，熔盐热罐6分别与腔式吸热器1内的前壁热盐集箱106、侧壁热盐集箱112和后壁热盐集箱109相连通，熔盐冷罐8分别与腔式吸热器1内的前壁冷盐集箱105、侧壁冷盐集箱111和后壁冷盐集箱108相连通。

本实施例的吸储热系统对于温度较高的颗粒，用于高温区间效率较高的SCO₂循环发电系统。对于温度较低的熔盐，用于中温区间效率较高的蒸汽朗肯循环。相比于现有的蒸汽朗肯循环，采用了SCO₂循环和蒸汽朗肯循环双循环的发电效率更高。

进一步地，本实施例的熔盐吸储热系统也可以采用水/蒸汽吸储热系统或其他介质的吸储热系统代替。

颗粒和熔盐具体的吸储热流程为吸收太阳辐射能的高温颗粒进入颗粒热罐2，通过颗粒/ SCO₂换热器3将热量传递给SCO₂，进入SCO₂发电系统,换热后的冷颗粒进入颗粒冷罐4储存，随后通过颗粒提升系统5提升至冷颗粒入口103，完成颗粒循环。吸收太阳辐射能的高温熔盐进入熔盐热罐6，并通过熔盐SGS系统7产生高温高压蒸汽，进入蒸汽发电系统。冷盐流入熔盐冷罐8进行储存，随后冷盐被送入各个冷盐集箱，完成熔盐循环。

下面以本实施例的吸储热系统的一种具体实施方式进行举例：

颗粒吸热器采用自由下落式的腔式吸热器1，开口面北布置，北镜场布置较多的定日镜，且聚焦于吸热器开口中心位置，能流密度区间为600-1000kW/m²。颗粒从冷颗粒入口103下落，形成一道颗粒幕帘，吸收太阳能受升温至750℃。经过热颗粒收集斗102收集后进入颗粒热罐2。热颗粒通过颗粒/SCO₂换热器3将热量传递给SCO₂循环发电系统，换热后的冷颗粒降温至500℃，而后进入颗粒冷罐4储存。冷颗粒通过颗粒提升系统5提升至冷颗粒入口103，完成颗粒吸热、储热及换热循环。

熔盐吸热管围绕腔式吸热器1布置，前壁熔盐吸热管吸收腔内的颗粒辐射能、对流热量以及未被吸热口截获的北镜场太阳辐射能，侧壁熔盐吸热管吸收腔内的颗粒辐射能、对流热量及东、西镜场的太阳辐射能，后壁熔盐吸热管吸收腔内的颗粒辐射能、对流热量、穿透幕帘的太阳辐射能以及南镜场的太阳辐射能。投射于熔盐吸热管部分的能流密度区间为300-600kW/m²。吸收能量后的熔盐升温至565℃，进入熔盐热罐6，并通过熔盐SGS系统7产生高温高压蒸汽，进入蒸汽发电系统。冷盐流入熔盐冷罐8进行储存，随后冷盐被泵入腔式吸热器1各侧的冷盐集箱，完成熔盐循环。腔式吸热器1各侧的熔盐流量根据能流密度进行单独调节。

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 (7)

1.一种腔式吸热器，其特征在于，包括腔式吸热器本体和吸热管组；

所述腔式吸热器本体的前壁设置有腔式吸热口；所述吸热管组设于所述前壁的外表面，且所述吸热管组位于所述腔式吸热口的至少一侧；

所述吸热管组环绕所述腔式吸热口的中心设置并形成颗粒吸热口，所述颗粒吸热口不大于所述腔式吸热口；

镜场的太阳能汇集至所述腔式吸热口处，所述腔式吸热口内的能流密度较高，太阳能通过所述腔式吸热口进入所述腔式吸热器本体内对下落过程中颗粒进行加热；所述腔式吸热口周围的能流密度相对较低，由所述吸热管组对所述腔式吸热口周围的热量进行吸收并利用；

还包括与所述腔式吸热器本体的前壁相对设置的后壁，以及与所述腔式吸热器本体的前壁连接的侧壁，所述侧壁连接前壁和后壁，形成腔式吸热器壳体。

2.如权利要求1所述的腔式吸热器，其特征在于，所述吸热管组的两端分别设置有热盐集箱和冷盐集箱。

3.如权利要求1所述的腔式吸热器，其特征在于，所述后壁由相互密封连接的吸热管组组成。

4.如权利要求1所述的腔式吸热器，其特征在于，至少一个所述侧壁由相互密封连接的吸热管组组成。

5.如权利要求1所述的腔式吸热器，其特征在于，所述腔式吸热器本体为自由下落式的腔式吸热器。

6.如权利要求1所述的腔式吸热器，其特征在于，所述吸热管组为熔盐吸热管组。

7.一种吸储热系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任意一项所述的腔式吸热器。