CN114294845B - 一种阶梯式固体颗粒吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阶梯式固体颗粒吸热器，包括颗粒存储罐、吸热器壳体，所述吸热器壳体内设有呈阶梯状的吸热本体，所述吸热器壳体上设有吸热口和颗粒入口，所述吸热本体设置在与所述吸热口相对的位置，所述吸热本体顶部位于所述颗粒入口下方；所述颗粒存储罐设置在吸热本体与吸热器壳体之间；所述吸热本体与所述颗粒存储罐之间设有换热空间；所述颗粒存储罐上设置有进料口、出料口，所述出料口通过流化装置与所述换热空间连通；所述换热空间通过气固分离器与所述颗粒入口连通。

Description

一种阶梯式固体颗粒吸热器

技术领域

本发明涉及吸热器设计技术领域，具体涉及一种用于塔式太阳能光热发电的阶梯式固体颗粒吸热器。

背景技术

太阳能作为一种清洁的可再生能源，应用越来越广泛，尤其是光热发电技术是继光伏发电技术以后的新兴太阳能利用技术，其中塔式太阳能光热发电技术因具有储能廉价高效、电力输出稳定平滑的优点，受到了广泛的关注。塔式太阳能电站主要由定日镜场、吸热器、储热系统和汽轮发电机组所组成，其中吸热器系统作为实现太阳能向热能转换的关键部件，保证其高性能安全运行是太阳能光热发电研究与应用的重要一环。

传统的吸热器采用二元熔盐作为吸热介质，当工作温度低于250℃时，熔盐会凝固，而温度高于565℃时熔盐会分解，既影响系统的安全运行，又降低了系统效率。为提高太阳能热发电效率，降低发电成本，研究新型高温太阳能吸热器结构尤为重要。研究人员发现采用陶瓷颗粒等颗粒作为储热介质时，其储热温度能够达到1000℃左右，极大提高了太阳能热发电厂后端的热点效率。为了充分利用固体颗粒的储热特性，近年来国内外学者先后提出了多种高温颗粒吸热器结构，美国桑迪亚实验室提出了自由下落式颗粒吸热器，论证了颗粒吸热器概念的可行性，但自由下落式颗粒吸热器难以控制颗粒的下落速度和质量流量，且受环境风的影响明显，大风环境下颗粒容易被吹出吸热器；中国专利CN102679578A公布了一种带有旋风分离器的太阳能颗粒吸热器，通过透明玻璃管避免环境风对颗粒下落过程的影响，但透明玻璃的耐高温性能较差，且脆性较大，无法满足颗粒吸热器长期在700-1000℃温度下工作的需求，且现有颗粒吸热器系统均存在吸热效率低、系统复杂、设备占用空间大等缺点，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

针对上述问题，本发明提供了一种用于塔式太阳能热发电的阶梯式固体颗粒吸热器，包括颗粒存储罐、吸热器壳体，所述吸热器壳体内设有呈阶梯状的吸热本体，所述吸热器壳体上设有吸热口和颗粒入口，所述吸热本体设置在与所述吸热口相对的位置，所述吸热本体顶部位于所述颗粒入口下方；所述颗粒存储罐设置在吸热本体与吸热器壳体之间；所述吸热本体与所述颗粒存储罐之间设有换热空间；所述颗粒存储罐上设置有进料口、出料口，所述出料口通过流化装置与所述换热空间连通；所述换热空间通过气固分离器与所述颗粒入口连通。

所述颗粒沿所述吸热本体下落以形成颗粒幕帘，颗粒幕帘吸收从吸热口进入吸热器的太阳辐射。

在一些实施例中，所述吸热本体的各台阶边缘处设置有斜向上的阻挡部。

在一些实施例中，所述流化装置包括有一流化空间，所述流化空间内设置有布风板，所述布风板将所述流化空间分成上部流化空间和下部流化空间；所述上部流化空间与所述颗粒存储罐的出料口、所述换热空间连通，所述下部流化空间与风机出风口连通。

在一些实施例中，所述颗粒存储罐的出料口设置有流量调节阀。

在一些实施例中，所述气固分离器还连接有一颗粒料斗，所述颗粒料斗设置在所述气固分离器与所述颗粒入口之间；来自于气固分离器分离出的颗粒经所述颗粒料斗落入到所述吸热本体的顶部。

在一些实施例中，所述吸热口设置有石英玻璃窗。

在一些实施例中，所述换热空间内设置有翅片式换热结构。

在一些实施例中，所述气固分离器采用旋风分离器。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明提供的用于塔式太阳能光热发电的阶梯式固体颗粒吸热器，颗粒沿着阶梯式吸热本体下落，大幅增加了颗粒的停留时间，从而提高颗粒温升；同时，在吸热本体的各层水平台阶边缘处设置有斜向上的阻挡部，保证颗粒下落过程不与竖直壁面接触，同时使得颗粒在水平阶梯处呈堆积状态，以此实现颗粒下落过程中只跟颗粒接触，大幅减少了颗粒对吸热本体的磨损。

2、本发明提供的用于塔式太阳能光热发电的阶梯式固体颗粒吸热器中，采用流化方式进行颗粒的输送，颗粒流量容易控制，提高了系统稳定性和变工况响应能力；同时，利用流化冷颗粒带走吸热本体的热量，降低吸热本体温度，从而降低吸热本体对材料耐热性的要求，也减小了吸热本体的热辐射损失。

3、本发明提供的用于塔式太阳能光热发电的阶梯式固体颗粒吸热器中，流化颗粒带走部分吸热本体的热量并加热冷颗粒，使得温度趋于均匀。

4、本发明提供的用于塔式太阳能光热发电的阶梯式固体颗粒吸热器中，在吸热口处设置石英玻璃窗，在允许太阳辐射进入的同时阻止外界风进入吸热器，减小对流热损失，进而提高吸热器的效率。

5、本发明提供的用于塔式太阳能光热发电的阶梯式固体颗粒吸热器中，将颗粒存储罐置于吸热器壳体内部，有效利用了吸热器内部空间，结构更紧凑，占用空间减小；同时，颗粒存储罐事实上充当了吸热器的保温层，提高了热量的利用率，且大幅减少了保温材料的用量，明显节约系统成本。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为本发明提供的用于塔式太阳能热发电的阶梯式固体颗粒吸热器的结构与流程示意图。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出的实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

参照图1，本发明提供了一种用于塔式太阳能热发电的阶梯式固体颗粒吸热器，包括颗粒存储罐6、吸热器壳体2，吸热器壳体2内设有呈阶梯状的吸热本体3，吸热器壳体2上设有吸热口和颗粒入口，吸热本体3设置在与吸热口相对的位置，吸热本体3顶部位于颗粒入口下方；颗粒存储罐6设置在吸热本体3与吸热器壳体2之间，吸热本体3与颗粒存储罐6之间设置有换热空间7；颗粒存储罐6上设置有进料口5、出料口，出料口通过流化装置与换热空间7连通；换热空间7还通过气固分离器11与吸热器壳体2的颗粒入口连通，来自于气固分离器11分离出的颗粒通过颗粒入口落到吸热本体3的顶部，颗粒沿吸热本体3下落。

首先通过进料口5，向颗粒存储罐6内送入低温颗粒；使用时，颗粒进入到流化装置内，经流化后送入到换热空间内，并与吸热本体3进行换热带走热量，然后进入到气固分离器11内，经过气固分离器11分离出的颗粒送入到吸热器壳体2内，在颗粒自身重力的作用下落入吸热本体3的顶部，然后沿着吸热本体3逐渐下落充满整个吸热本体3，太阳能辐射通过太阳能吸收窗4进入到吸热器壳体2内，用于加热颗粒。

其中，分离器分离出的空气排掉，或者降温后回到风机循环；从吸热本体上落下来的颗粒送到高温储罐。

本发明提供的用于塔式太阳能热发电的阶梯式固体颗粒吸热器，首先颗粒沿着吸热本体下落，大幅增加了颗粒的停留时间，从而提高颗粒温升；再有，采用流化颗粒进行颗粒的输送，颗粒流量容易控制，提高了系统稳定性和变工况响应能力；同时利用流化冷颗粒带走吸热本体的热量，降低吸热本体温度，从而降低吸热本体对材料耐热性的要求，减小吸热本体的热辐射损失；再有，流化颗粒带走部分吸热本体下部高温颗粒的热量并加热吸热本体上部尚未接收太阳辐射部分的颗粒，使得温度趋于均匀。

在本实施例中，参照图1，吸热本体3自上而下、自左向右设置，吸热器壳体2上的吸热口设置在吸热本体3右侧下方，且倾斜设置，便于吸收地面镜场反射后的太阳辐射。

进一步的，吸热口上设置有太阳能吸收窗4；本实施例在吸热口处设置太阳能吸收窗4，在允许太阳光进入的同时阻止外界风进入吸热器，减小对流热损失，进而提高吸热器的吸热效率。

在本实施例中，优选的吸热本体3的各层水平台阶边缘处设置有斜向上的阻挡部301；阻挡部301的设置，保证了颗粒下落过程不与吸热本体3的竖直壁面接触，同时使得颗粒在水平吸热本体处呈堆积状态，以此实现颗粒下落过程中只跟颗粒接触，大幅减少了颗粒对吸热本体3的磨损，延长了使用寿命。

其中，阻挡部301的具体实现方式，可以为挡板结构等，此处不做限制，可跟具体情况进行调整。

在本实施例中，颗粒存储罐6设置在吸热器壳体2内，具体的颗粒存储罐位于吸热本体3左侧，换热空间7形成于颗粒存储罐6与吸热本体3左侧面之间；本发明将颗粒存储罐6设置在吸热器壳体2内，有效利用了吸热器内部空间，结构更紧凑，占用空间减小；另外，颗粒冷罐事实上充当了吸热器的保温层，提高了热量的利用率，且大幅减少了保温材料的用量，明显节约系统成本。当然，在其他实施例中，颗粒存储罐6也可不设置在吸热器壳体2内，此处不做限制，可根据具体情况进行调整。

进一步的，颗粒存储罐6朝向吸热本体3的一侧以及换热空间7均沿着吸热本体3延伸设置；即，颗粒存储罐6朝向吸热本体3的一侧也呈吸热本体状延伸设置，且各层吸热本体结构由朝向吸热本体3的斜吸热本体面和竖直吸热本体面构成，颗粒存储罐6右侧的吸热本体面与吸热本体3左侧的吸热本体面间隔开形成换热空间7。

上述颗粒存储罐6、吸热本体3、换热空间7之间的设置关系，保证了较好的换热效果；当然在其他实施例中，颗粒存储罐6、吸热本体3、换热空间7的设置方式也可根据具体情况进行调整，此处不做限制。

进一步的，换热空间7内还设置有换热空间换热结构，换热结构具体可以为翅片等加强换热结构，此处不做限制。

在本实施例中，进料口5设置在颗粒存储罐6的上部，出料口设置在颗粒存储罐6底部，流化装置也设置在颗粒存储罐6的底部并与出料口连通。

进一步的，流化装置包括有一流化空间12，颗粒存储罐6的出料口、换热空间7与流化空间12连通；流化空间12内设置有布风板10，布风板10将流化空间12分成上部流化空间和下部流化空间；上部流化空间与颗粒存储罐6的出料口、换热空间7连通，下部流化空间连通有一风机9。颗粒自出料口进入到上部流化空间内，风机9提供带压空气并送入到下部流化空间内，空气流经布风板10后形成均匀空气并带动上部流化空间内的颗粒形成流化颗粒，并将流化颗粒送入到换热空间7内，使其自下而上流动。

进一步的，所述颗粒存储罐的出料口设置有流量调节阀8，用于调节被流化颗粒的流量。

在本实施例中，气固分离器11还连接有一颗粒料斗1，颗粒料斗1位于换热壳体的上方，且与吸热本体3顶部相对设置；来自于气固分离器11分离出的颗粒，经颗粒料斗1落入到吸热本体3的顶部。颗粒料斗1用于暂存低温颗粒，以应对分离器故障等意外工况；当然在其他实施例中，也可省略颗粒料斗1的设置，此处不做限制，可根据具体情况进行选择。

在本实施例中，优选的分离器采用旋风分离器；当然在其他实施例中分离器也可选用其他类型的分离器，此处不做限制。

在本实施例中，优选的太阳能吸收窗4采用石英玻璃窗；当然在其他实施例中太阳能吸收窗4也可选用其他透光窗实现，此处不做限制。

本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离其本身的精神或范围。尽管已描述了本发明的实施案例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明的精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (8)

1.一种阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，包括颗粒存储罐、吸热器壳体，所述吸热器壳体内设有呈阶梯状的吸热本体，所述吸热器壳体上设有吸热口和颗粒入口，所述吸热本体设置在与所述吸热口相对的位置，所述吸热本体顶部位于所述颗粒入口下方；所述颗粒存储罐设置在吸热本体与吸热器壳体之间，且位于所述吸热口相对的一侧；所述吸热本体与所述颗粒存储罐之间设有换热空间；所述颗粒存储罐上设置有进料口、出料口，所述出料口通过流化装置与所述换热空间连通；所述换热空间通过气固分离器与所述颗粒入口连通。

2.根据权利要求1所述的阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述吸热本体的各台阶边缘处设置有斜向上的阻挡部。

3.根据权利要求1所述的阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述流化装置包括有一流化空间，所述流化空间内设置有布风板，所述布风板将所述流化空间分成上部流化空间和下部流化空间；所述上部流化空间与所述颗粒存储罐的出料口、所述换热空间连通，所述下部流化空间与风机出风口连通。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述颗粒存储罐的出料口设置有流量调节阀。

5.根据权利要求1所述的阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述气固分离器还连接有一颗粒料斗，所述颗粒料斗设置在所述气固分离器与所述颗粒入口之间。

6.根据权利要求1所述的阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述吸热口设置有石英玻璃窗。

7.根据权利要求1所述的阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述换热空间内设置有翅片式换热结构。

8.根据权利要求1所述的阶梯式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述气固分离器采用旋风分离器。