CN208952442U - 塔式太阳能吸热器 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种塔式太阳能吸热器，包含若干个吸热管、上联箱和下联箱；各吸热管设置于上联箱和下联箱之间，各吸热管的底端均与下联箱连通，各吸热管的顶端均与上联箱连通；各吸热管采用高导热碳纤维管。本实用新型提供一种高效率吸热传热的塔式太阳能吸热器结构。

Description

塔式太阳能吸热器

技术领域

本实用新型涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种应用于塔式太阳能热发电系统装置的太阳能吸热器。

背景技术

采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。

塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统。塔式太阳能热发电主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统(热交换系统) 、发电系统3部分组成。定日镜场系统实现对太阳的实时跟踪，并将太阳光反射到吸热器。位于高塔上的吸热器吸收由定日镜系统反射来的高热流密度辐射能，并将其转化为工作流体的高温热能。高温工作流体通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器，产生高压过热蒸汽，推动常规汽轮机发电。

对塔式光热发电技术来说，吸热器是类似于槽式技术中的高温真空吸热管一样的核心装备，其承担着吸收太阳热能的重要作用。吸热器作为吸热与传热的主设备，按结构形式，分为管式吸热器和容积式吸热器，吸热与传热介质主要有水/蒸汽、熔盐、液态钠和空气。吸热器的种类有大致三种：腔体管式吸热器、外露管式吸热器和容积式吸热器。

其中，外露管式吸热器是常见的吸热器类型，若干直管排成圆筒状，每根管上端接上联管、下端接下联管，所有直管通过联管并联，排管表面涂覆吸热材料，上联管与下联管外有保温层与外壳。导热介质从下联管进入，通过排管从上联管出，入射的太阳能以辐射方式使管外壁面温度升高，再通过管壁以导热和对流的方式将热量传递给管内传热介质。

吸热管的问题：在新能源开发和推广利用中，最大限度提高能源转换效率是研究工作者的一个追求目标。基于熔融盐(例如，60%KNO3 +40%NaNO3 )热媒介质的高温光热发电系统是常见的光热发电系统。熔盐介质被加热到565℃时，输送到高温储罐储存，需用时将高温熔盐泵入蒸汽发生器内，加热给水，产生500℃以上的蒸汽，推动汽轮机发电。高温熔盐在蒸汽发生器中经热交换后，温度降至288℃，被泵入低温储罐中存储，需用时，再泵入塔顶上的接收器内进行加热。

塔式热发电的高温吸热管要求严格，要求吸热管的具有更好的耐腐蚀性和更高的强度。或者将介质改变为低腐蚀性且高导热的其它类型的介质材料，也在广泛研究中。在塔式熔盐光热电站中，吸热器的太阳能流密度大，且其要在高温、腐蚀的工况下运行，这对吸热器管材的选择提出了非常高的要求。普遍选用镍基合金材料如625耐蚀合金钢或固溶强化型镍基高温合金Haynes230作为吸热管材料。

对于管基材，其耐腐蚀性还有待提高，同时目前使用的管材的导热效率相对较差，在高温吸热管的应用中，更加需要提升导热效率。因此亟需解决吸热管的两个问题：

a.提升管基材的耐腐蚀性；

b.提升热传导效率

发明内容

本实用新型所解决的技术问题即在于提供一种耐高温和耐腐蚀，同时具有高效热传导的塔式太阳能吸热器。

本实用新型所采用的技术手段如下所述。

一种塔式太阳能吸热器，包括若干个吸热管、上联箱和下联箱；所述各吸热管设置于上联箱和下联箱之间，各吸热管的底端均与下联箱连通，各吸热管的顶端均与上联箱连通；各吸热管采用高导热碳纤维管。

所述各吸热管按照直线形方式竖直平行布置。

所述高导热碳纤维管的碳纤维长丝方向沿管径方向排列。

所述各吸热管的内表面设置石墨烯涂层。

所述各吸热管的外表面设置耐高温吸收涂层。

所述各吸热管的内壁为内螺纹结构。

所述的内螺纹结构的螺旋角（β）为18°。

所述的内螺纹结构的齿顶角（α）为22-53°。

所述的内螺纹结构的螺纹条数（n）为38-74条。

所述的内螺纹结构的齿高（H）为碳纤维管壁厚的1/10-1/4。

本实用新型所产生的有益效果如下所述。

1、吸热管材料为耐热高导碳纤维管，可以实现：

1)大幅度提升热传导效率；

2)大幅度提高吸热管的温度分布均匀性，有效降低太阳能吸热管的热应力；

3)满足强度要求设计，优异的耐高温性能。

2、当高导热碳纤维内壁为内螺纹结构，可以实现：

1)提升热传导面积；

2)内螺纹的扰流作用使输出的传热流体周向温度分布更加均匀，从而提高了吸热管的使用安全性和热效率。

附图说明

图1为本实用新型塔式太阳能吸热器的结构示意图。

图2为本实用新型单吸热管的横截面结构示意图。

图3为本实用新型吸热管壁结构示意图。

图4-5为本实用新型吸热管内表面螺纹结构示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种耐高温和耐腐蚀，同时具有高效热传导的太阳能吸热器。本实用新型塔式太阳能吸热器，包括若干个吸热管、上联箱和下联箱；所述各吸热管设置于上联箱和下联箱之间，各吸热管的底端均与下联箱连通，各吸热管的顶端均与上联箱连通；各吸热管采用高导热碳纤维管。

所述高导热碳纤维管的碳纤维长丝方向沿管径方向排列，所述的各吸热管按照直线形方式竖直平行布置，各吸热管的内表面设置石墨烯涂层，其外表面设置耐高温吸收涂层，各吸热管的内壁为内螺纹结构。该内螺纹结构的螺旋角（β）为18°，其齿顶角（α）为22-53°，内螺纹结构的螺纹条数（n）为38-74条，内螺纹结构的齿高（H）为碳纤维管壁厚的1/10-1/4。

请参阅图1，本实用新型塔式太阳能吸热器，包括上联箱3和下联箱4，以及平行设置于上联箱与下联箱之间的若干个吸热管2，各吸热管2按照直线形的方式布置。各吸热管2的底端均与下联箱4连通，各吸热管2的顶端均与上联箱3连通，所有吸热管通过上下联箱并联。

与传统镍基合金材料的吸热管不同，本实用新型的吸热管基材采用高温固化的环氧树脂体系或沥青基体系的碳纤维管材1，这是由于碳纤维在不接触空气和氧化剂时，能够耐受3000℃以上的高温，具有突出的耐热性能，而高温固化的环氧树脂体系拥有更好的耐高温性能。同时如图2所示，碳纤维管1的碳纤维长丝方向沿吸热管的管径方向严格排列，如此可实现碳纤维良好的导热性能，如沥青基碳纤维，导热率实测可以达到60 W/(m.k)或更高。

如图3所示，为了进一步提高吸热管2的吸热导热性能，本实用新型在各碳纤维管的内壁涂上石墨烯，经过固化后，石墨烯稳固的附着在碳纤维管内表面上形成石墨烯涂层11；同时在其外表面上涂覆有机硅耐高温吸收涂层12，可实时吸收95%的辐射太阳能，提高太阳能的利用率。

如图4-5所示，为了进一步提升导热传热率，可以在吸热管内壁上加工出螺纹结构5，以此增加换热面积。其中，螺纹结构的螺旋角β为18°；齿顶角α为22-53°，优选为30°；螺纹条数n为38-74条，优选为60条；齿高H等于碳纤维管壁厚的1/10-1/4。

本实用新型塔式太阳能吸热器的工作原理：

吸热管内的传热介质可以为熔盐或液态金属，经下联箱分配到各个吸热管，然后从各个吸热管的内部流过，在流经吸热管时，入射的太阳能以辐射方式使吸热管外壁面温度升高，吸热管外表面所吸收的热量以导热和对流的方式，从吸热管壁面传输到传热介质，从而使传热介质获得热能而成为可利用的高温热源；高温热源再经过上联箱后送至下一个接收器或排出，即完成了传热介质自下联箱向上联箱的流动升温过程。

Claims (10)

1.一种塔式太阳能吸热器，其特征在于，包括若干个吸热管（2）、上联箱（3）和下联箱（4）；所述各吸热管（2）设置于上联箱（3）和下联箱（4）之间，各吸热管（2）的底端均与下联箱（4）连通，各吸热管（2）的顶端均与上联箱（3）连通；所述各吸热管（2）采用高导热碳纤维管（1）。

2.如权利要求1所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述各吸热管（2）按照直线形方式竖直平行布置。

3.如权利要求1所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述高导热碳纤维管（1）的碳纤维长丝方向沿管径方向排列。

4.如权利要求1所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述各吸热管（2）的内表面设置石墨烯涂层（11）。

5.如权利要求1至4任一所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述各吸热管（2）的外表面设置耐高温吸收涂层（12）。

6.如权利要求1所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述各吸热管（2）的内壁为内螺纹结构（5）。

7.如权利要求6所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述的内螺纹结构（5）的螺旋角（β）为18°。

8.如权利要求6所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述的内螺纹结构（5）的齿顶角（α）为22-53°。

9.如权利要求6所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述的内螺纹结构（5）的螺纹条数（n）为38-74条。

10.如权利要求6所述的塔式太阳能吸热器，其特征在于，所述的内螺纹结构（5）的齿高（H）为碳纤维管壁厚的1/10-1/4。