CN115900100A - 一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，包括颗粒分配器，电机，传动机构，螺旋轴螺旋轴，吸热管，固体颗粒，漏斗，高温颗粒储罐，低温颗粒储罐和提升机。螺旋轴放置在吸热管内，与吸热管同心，上方连接传动机构与电机。固体颗粒在重力和螺旋轴的摩擦力的作用下沿周向和向下方向运动。固体颗粒在吸热管内部被加热，通过调控螺旋轴的转速和漏斗出口阀门开度实现颗粒流量的调控。

Description

一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器

技术领域

本发明涉及一种太阳能热发电用吸热器，特别涉及一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器。

背景技术

提高太阳能热发电的效率是降低电站成本的主要方法之一，塔式电站由于聚光比可达1000以上，能够有效提高工质的运行参数，因此在提高发电效率方面具有较大的潜力。传统的吸热工质如水蒸气/导热油、熔融盐/液态金属等受工作温度和化学稳定性所限，在提高发电效率和降低发电成本方面效果有限。固体颗粒由于具有承受温度高、性能稳定、价格低廉、比热大的优势，为驱动超超临界蒸汽动力循环、超临界CO₂布雷顿循环甚至燃气-蒸汽联合循环提供了可能，可能极大地降低发电成本。国内外围绕固体颗粒吸热器进行了诸多研究，主要集中在美国、德国、法国、澳大利亚、沙特阿拉伯和中国等。固体颗粒吸热器主要分为自由下落式、阻碍下落式、旋转窑式、流化床式等几种，其中依靠重力下落的吸热器由于运行过程简单，被认为是最有前途、最有可能大型化的技术。

欧洲专利EP 2630219 A2公布了一种利用固体颗粒在不透明金属管里流化吸热的吸热器，能够有效控制颗粒流动和强化吸热，但该专利是利用金属管的间接吸热与换热，存在金属管受热不均后的热应力破坏和局部热斑被烧熔的问题，同时由于管内固体颗粒的无序流动，极易造成金属管内壁面的磨损，影响金属管的使用寿命。

中国专利CN105135716A公布了一种带内插件的管式固体颗粒吸热器，固体颗粒在管内螺旋旋转插件上自上而下流动，有效地增加了颗粒的辐射停留时间，但是存在固体颗粒流动堵塞的不足。

中国专利CN106524541A公布了一种密集陶瓷颗粒在重力驱动下在竖直或倾斜的圆柱形孔道内下落的固体颗粒吸热器，能够增加颗粒辐照停留时间，但是缺点在于背光侧孔道内颗粒可能无法有效吸热。

中国专利CN101634490A公布了一种利用吸热球体作为吸热工质的吸热器，能够有效缓解入射能流分布不均带来的热应力破坏，缺点在于流动控制困难和球体吸热不均匀。

中国专利CN108458506A公布了一种填充内插件石英管式颗粒吸热器，颗粒在流动方向的流道截面渐缩，能够有效实现有序的颗粒流动轨迹，但是存在由于颗粒流动过程缺少颗粒间的掺混换热，容易导致局部的热斑，造成颗粒温度过高而烧结，导致管路堵塞而造成损坏。

中国专利CN108592419 A公布了一种延缓下落式固体颗粒吸热器，颗粒在螺旋形石英玻璃管内下落过程被聚集的太阳光加热，存在颗粒流动不畅而堵塞的风险。

中国专利CN114576874 A公布了一种石英管内填充异形陶瓷管的固体颗粒吸热器，由于颗粒下落过程难以进行充分换热，容易导致局部的热斑，造成颗粒温度过高而烧结，导致管路堵塞而造成损坏。

中国专利CN207196958U公布了一种内插液轮机的槽式太阳能真空集热管，所用液轮仅用于增加流体的混合程度，但由于液轮减少了流体流通面积，增加了流体流动过程的沿程阻力，导致泵功增加。

发明内容

本发明的目的是克服现有依靠重力在吸热管内下落的固体颗粒吸热器换热不佳的缺点，提出一种螺旋轴式固体颗粒吸热器，具体为一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，实现固体颗粒在石英管内下落过程的充分掺混，实现固体颗粒均匀地吸收太阳能，增强固体颗粒间的接触传热，搅拌装置的运动可有效避免固体颗粒在吸热管内的堵塞。与已见报道的自由下落式颗粒吸热器相比，在相同的下落高度下，带有搅拌功能的吸热器延长了固体颗粒下落流通通道的长度，降低了固体颗粒下落速度，因此显著地增加固体颗粒接收太阳辐射加热时间，提高了固体颗粒单次下落过程的温升。

本发明的一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，包括吸热管、螺旋轴、传动机构、电机、固体颗粒、外保温层、低温颗粒储罐、低温颗粒储罐出口阀门、高温颗粒储罐入口阀门、高温颗粒储罐、颗粒分配器、漏斗、漏斗出口阀门、进口导流装置和出口导流装置。

固体颗粒装在吸热管内；

外保温层包围吸热管组件的外周，位于背向太阳辐射能流的一面；

进口导流装置安装在吸热管的上部；

漏斗安装在吸热管的下部；

出口导流装置安装在漏斗的下部；

颗粒分配器置于进口导流装置的上方；

高温颗粒储罐置于出口导流装置的下方；

低温颗粒储罐置于颗粒分配器的上方；

漏斗出口阀门安装在吸热管底部与出口导流装置之间。

螺旋轴放置于吸热管内，螺旋轴的外缘与吸热管内壁保留3-5倍固体颗粒直径的间隙，确保螺旋轴可以在吸热管内周向转动。螺旋轴的旋转中心与吸热管的截面所形成的圆同圆心。

传动机构放置于吸热管上部，传动机构同螺旋轴的一端采用机械结构连接。

冷却泵与电机相连，用于冷却电机，保证电机温度处于正常工作范围。

电机放置于传动机构上部，电机与传动机构采用机械结构相连。

固体颗粒的形状可为规则球形、椭球形或其他形状，直径范围为100微米-3毫米，固体颗粒可为单一粒径或多种粒径组合，可由碳化硅、烧结铝矾土、氮化硅、硅石等材料制备。固体颗粒应具有合适的导热系数、密度、比热、硬度、较高的太阳光谱吸收比、较低的红外发射比等。

本发明采用颗粒分配器盛装待加热的固体颗粒，颗粒分配器出口阀门控制固体颗粒的流出，固体颗粒自颗粒分配器均匀地流入吸热管；螺旋轴未转动时，固体颗粒沿着螺旋轴外缘同吸热管内壁面的空隙间靠重力自由下落，固体颗粒自吸热管的出口阀门处流出，固体颗粒流量受出口阀门开度大小控制。螺旋轴转动时，固体颗粒沿着螺旋轴外缘同吸热管内壁面的空隙间靠重力和螺旋轴的轴向摩擦力共同作用运动，固体颗粒从吸热管的出口阀门处流出，固体颗粒流量受出口阀门开度大小控制。吸热管的一侧朝向太阳辐射能流投入方向，吸热管内的固体颗粒被加热，吸热管的另一侧包覆保温材料，避免热量的散失。本发明的固体颗粒吸热器可通过并联多根吸热管和多套颗粒搅拌系统实现大面积接收太阳辐射能流。本发明的吸热管长度为2-4m，外径50mm-200mm，厚度5mm-10mm。限于吸热管的长度限制，应用过程可以采用多级加热的方式实现大面积吸热器。

本发明的固体颗粒吸热器具有如下优点：

(1)螺旋轴的转动改变了固体颗粒在石英玻璃内的流动轨迹，延长了固体颗粒下落过程的流通长度，降低了重力方向的下落速度，因此显著地增加固体颗粒在吸热管内的停留时间，增加了接收太阳辐射能流照射的时间，增加颗粒间换热的同时也可提高固体颗粒单次下落过程的温升；

(2)下落过程中固体颗粒流动轨迹可控，不受外部环境影响，无颗粒逸散；

(3)下落过程中固体颗粒的流量可调，能够适应太阳辐射能流强度的波动；

(4)螺旋轴的转动方向有两个，螺旋轴正转时，颗粒自上向下运动，螺旋轴反转时，颗粒自下向上运动。

(5)通过调节螺旋轴的旋转速度可改变固体颗粒运动速度，在螺旋轴的作用下，固体颗粒可以避免在高热流密度区域的长时间加热被烧结的风险，极大提高了吸热器的安全性；

(6)固体颗粒的充分流动和换热可以获得较高的吸热器热效率；

(7)本发明的吸热管加螺旋轴的结构具有很好的扩展性，通过串联和并联的方式易于形成大吸热面积的吸热器，具备规模化应用潜质。

本发明的工作过程如下：

定日镜等聚光设备将太阳光会聚为高密度的聚光辐射能流投射至吸热管的外表面，吸热管可以为透明的石英玻璃管或者不透明的陶瓷管。吸热管采用透明的石英玻璃管时，较少部分聚光辐射能流被吸热管反射和吸收，绝大部分聚光辐射能穿透吸热管进入被管内被流动的固体颗粒所反射和吸收。吸热管采用不透明的陶瓷管时，首先由吸热管吸收聚光辐射，然后固体颗粒从吸热管吸热。固体颗粒间紧密接触，被加热的固体颗粒通过热传导和热辐射的方式将热量传递给管内深处的固体颗粒。

运行前，开启低温颗粒储罐出口阀门，低温颗粒储罐中存储的低温固体颗粒被提升机提升到颗粒分配器中。颗粒分配器中固体颗粒在重力作用下均匀地进入吸热管中，经吸热管排出的固体颗粒汇入高温颗粒储罐保存。根据聚光辐射能流调节漏斗出口阀门开度控制固体颗粒流量。开启电机带动螺旋轴旋转，调控螺旋轴的转速保证固体颗粒能够在重力和螺旋轴的摩擦力的共同作用下在吸热管内沿周向和下落方向运动，缓慢下落，整个流动过程中要求固体颗粒始终填满吸热管。固体颗粒在吸热管内连续均匀流动有助于带走吸热管吸收的热量，有利于吸热器的安全稳定运行。由于固体颗粒在吸热管内受太阳辐照时间较长，在高聚光比辐射能流密度条件下固体颗粒可以被加热到800℃以上，固体颗粒吸热升温后由吸热管底部流出进入高温固体颗粒储罐存储。

本发明结构简单，可按照需求设计固体颗粒的直径大小和吸热管的结构参数，同时调整螺旋轴的旋转速度等参数，可以实现在较小耗功的条件下，实现投入聚光辐射能流的高效吸收。

附图说明

图1为本发明太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器结构示意图；

图2为本发明另一个太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器结构示意图。

图3为本发明另一个太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器结构示意图

图中：颗粒分配器1，颗粒分配器出口阀门2，进口导流装置3，电机4，传动机构5，基座6，螺旋轴7，外保温层8，吸热管9，漏斗10，漏斗出口阀门11，出口导流装置12，高温颗粒储罐13，低温颗粒储罐14，固体颗粒15，低温颗粒储罐出口阀门16，提升机17，聚光辐射能流18，冷却泵19。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明固体颗粒吸热器包括吸热管9、漏斗出口阀门11、螺旋轴7、固体颗粒15、外保温层8、低温颗粒储罐14、低温颗粒储罐出口阀门16、高温颗粒储罐13、电机4、传动机构5、颗粒分配器1、聚光辐射能流18、提升机17、冷却泵19。

如图1所示，按照颗粒的流动方向，设备间的位置关系如下：

颗粒分配器1位于系统的最高处；

颗粒分配器1出口设置有颗粒分配器出口阀门2。颗粒分配器1下方为固体颗粒进口导流装置3。固体颗粒分配器1出口正对着固体颗粒进口导流装置3。

固体颗粒进口导流装置3的出口与吸热管9的入口相连，吸热管9竖直放置；

吸热管9的下部连接漏斗10；漏斗10出口设置有漏斗出口阀门11。漏斗10出口依次连接漏斗出口阀门11、出口导流装置12和高温颗粒储罐13。

固体颗粒出口导流装置12位于漏斗10下方。

固体颗粒出口导流装置12下方为高温颗粒储罐13，高温颗粒储罐13位于地面；

低温颗粒储罐14位于地面，与提升机17相连。低温颗粒储罐14内装有固体颗粒15。低温颗粒储罐14的底部设置有低温颗粒储罐出口阀门16。低温颗粒储罐14依连接低温颗粒储罐出口阀门16、提升机17和颗粒分配器1。

吸热管9的上方为基座6，基座6与固体颗粒进口导流装置3相连。

基座6上方为传动机构5，传动机构5固定于基座6上。

传动装置5上方为电机4，电机与传动装置5相连，用于驱动传动装置5。

冷却泵19与电机4相连，用于冷却电机4。

传动装置5连接螺旋轴7。

螺旋轴7放置于吸热管9内。

外保温层8包围吸热管9的外周，并且外保温层8位于背向聚光辐射能流18的一面。

固体颗粒分配器1出口、漏斗10出口安装有阀门。

螺旋轴7的外缘与吸热管9内壁的距离为3-5倍固体颗粒15直径。

螺旋轴7的旋转中心与吸热管9的截面所形成的圆同圆心。

螺旋轴7的叶片类型为螺旋带式叶片或者斜叶浆式叶片。

实施例1的工作过程如下，如图1所示，开启低温颗粒储罐出口阀门16和漏斗出口阀门11，低温颗粒储罐14中存储的固体颗粒15经提升机提升到颗粒分配器1。颗粒分配器1中固体颗粒在重力作用下经进口导流装置3进入吸热管9中，若吸热管9为透明石英玻璃管，大部分聚光辐射能流18将会穿透吸热管9并加热吸热管9内部的固体颗粒。若吸热管9为不透明陶瓷管，聚光辐射能流18先加热吸热管9，再由吸热管9加热其内部的固体颗粒。经吸热管9排出的固体颗粒汇入高温颗粒储罐13中保存。开启电机4带动螺旋轴7正转，螺旋轴7的叶片为螺旋带式叶片，调控螺旋轴7的转速保证固体颗粒能够在重力和螺旋轴7的摩擦力的共同作用下在吸热管9内沿周向和下落方向运动，缓慢下落，固体颗粒在流动过程中始终填满吸热管9。根据聚光辐射能流18调节螺旋轴7的转速和漏斗出口阀门11开度控制固体颗粒流量。固体颗粒吸热升温后从吸热管9下方的漏斗10排出，经过石英管漏斗出口阀门11和出口导流装置12进入高温颗粒储罐13中保存。

实施例2的工作过程如下，如图2所示，开启低温颗粒储罐出口阀门16和漏斗出口阀门11，低温颗粒储罐14中存储的固体颗粒15经提升机17提升到颗粒分配器1。颗粒分配器1中固体颗粒在重力作用下经进口导流装置3进入吸热管9中，若吸热管9为透明石英玻璃管，大部分聚光辐射能流18将会穿透吸热管9并加热吸热管9内部的固体颗粒。若吸热管9为不透明陶瓷管，聚光辐射能流18先加热吸热管9，再由吸热管9加热其内部的固体颗粒。经吸热管9排出的固体颗粒汇入高温颗粒储罐13中保存。开启电机4带动螺旋轴7正转，螺旋轴7的叶片为斜叶浆式叶片，调控螺旋轴7的转速保证固体颗粒能够在重力和螺旋轴7的摩擦力的共同作用下在吸热管9内沿周向和下落方向运动，缓慢下落，固体颗粒在流动过程中始终填满吸热管9。根据聚光辐射能流18调节螺旋轴7的转速和漏斗出口阀门11开度控制固体颗粒流量。固体颗粒吸热升温后从吸热管9下方的漏斗10排出，经过石英管出口阀门11和出口导流装置12进入高温颗粒储罐13中保存。

实施例3的工作过程如下，如图3所示，开启低温颗粒储罐出口阀门16，固体颗粒从低温颗粒储罐14中释放，通过进口导流装置3进入吸热管9底部，开启电机4带动螺旋轴7反转，螺旋轴7的叶片为螺旋带式叶片，螺旋轴7转动将固体颗粒15提升至吸热管9顶部。若吸热管9为透明石英玻璃管，大部分聚光辐射能流18将会穿透吸热管9并加热吸热管9内部的固体颗粒。若吸热管9为不透明陶瓷管，聚光辐射能流18先加热吸热管9，再由吸热管9加热其内部的固体颗粒。完成吸热后的固体颗粒从吸热管9顶部通过出口导流装置12进入高温颗粒储罐13中保存。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，其特征在于，所述吸热器包括颗粒分配器(1)，电机(4)，冷却泵(19)、传动机构(5)，螺旋轴(7)，吸热管(9)，漏斗(10)，高温颗粒储罐(13)，低温颗粒储罐(14)和提升机(17)；颗粒分配器(1)通过进口导流装置(3)与吸热管(9)连接；螺旋轴(7)位于吸热管(9)内部，与吸热管(9)同心；电机(4)通过传动机构(5)与螺旋轴(7)连接；漏斗(10)位于吸热管(9)下部，漏斗(10)通过出口导流装置(12)与高温颗粒储罐(13)连接；低温颗粒储罐(14)通过提升机(17)与颗粒分配器(1)连接。

2.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，其特征在于，螺旋轴(7)的外缘与吸热管(9)内壁的距离为3-5倍固体颗粒直径。

3.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，其特征在于，螺旋轴(7)的旋转中心与吸热管(9)的截面所形成的圆同圆心。

4.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，其特征在于，螺旋轴(7)的叶片类型为螺旋带式叶片或者斜叶浆式叶片。

5.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，其特征在于，传动机构(5)放置于吸热管(9)上部，传动机构(5)的下部与螺旋轴(7)的上端采用机械结构连接。

6.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，其特征在于，螺旋轴(7)的下端预留3％～6％的膨胀端。

7.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用叶轮式固体颗粒吸热器，其特征在于，螺旋轴(7)的转动方向有两个，正转时颗粒自上向下运动，反转时颗粒自下向上运动。

8.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用螺旋轴式固体颗粒吸热器，其特征在于，电机(4)放置于传动机构(5)上部，电机(4)与传动机构(5)采用机械结构连接。

9.如权利要求1所述的一种太阳能热发电用叶轮式固体颗粒吸热器，其特征在于，电机(4)与冷却泵(19)相连，冷却泵(19)保证电机的温度位于正常工作温度范围内。

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