[发明专利]太阳能热发电站用固体颗粒堆积床式空气吸热器

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能热发电站用空气吸热器。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。塔式热发电装置基本原理是利用众多的定日镜，将太阳辐射反射到置于塔上的太阳能接收器上，借助加热工质产生过热蒸汽或高温空气，驱动发电机组，产生电能。高温太阳能吸热器是塔式热发电系统的核心部件。国外围绕此项技术进行了诸多研究，主要集中在美国、西班牙、德国、以色列、澳大利亚、韩国等。其中应用较多的是容积式吸热器，就是一种由三维基体所构成的接收太阳辐射的吸热体，流过的工作流体与其进行直接的热交换而被加热。容积式太阳能吸热器通常有一个空心壳体，用于容纳容积式太阳能吸收装置，壳体由玻璃透光窗覆盖，形成封闭的吸热装置腔体，腔体可以容纳与吸收装置直接接触的工作流体，工作流体流过吸热装置腔体，从吸收装置上吸收热量。美国专利4394859公开了一种以空气为传热流体的柱状金属管式吸热器，该吸热器对金属要求较高，系统复杂，成本高，而且许用能流密度较低，难以获得高温度的空气。美国专利4777934公布了采用带有粒子的压缩空气为传热流体的太阳能吸热器，其温度可被加热至700℃，该吸热器无法应用到更高的温度。美国专利US6668555B1公布了基于吸热器的太阳能发电系统，采用热管式太阳能吸热器，其传热工质为空气，虽然传热效率较高，但应用于高温需要采用金属钠等物质作为热管内的相变材料，对安全性要求苛刻。中国专利CN2758657提出了腔式太阳能吸收器，分为内外两个腔，内腔体临近石英玻璃窗表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并且采用不同的物质用于传热和蓄热，用于高温场合，但其结构较为复杂。中国专利CN2872208提出了一种空腔式太阳能空气吸热器，采用了针管冷却玻璃窗、管状吸热体，管状吸热体的换热表面积小，传热效率不高，冷却玻璃窗也难于制作为较大尺寸。

综上所述，为了获得高温高压空气，目前的空气吸热器多采用石英玻璃窗实现透光和密封功能，在由于受到石英玻璃生产工艺的限制，单片石英玻璃难以被加工成较大面积，限制了承压式空气吸热器的功率。在通常的容积式空气吸热器中，陶瓷或金属吸热体均会出现局部的“热斑”而造成吸热体损坏，而且在大功率应用中，大尺寸陶瓷体的制备和连接均存在技术难题。

发明内容

本发明的目的是克服现有承压式空气吸热器难以用于较大功率的不足，提供一种新的空气吸热器。

本发明以石英玻璃管束的石英玻璃管为空气流道，利用石英玻璃的高透光率和耐高温特性，采用堆积石英玻璃管内的固体颗粒为吸热体，利用固体颗粒的吸收率高、耐高温、导热系数高、比表面积大的特点进行高效吸热与换热。

所述的固体颗粒在接收太阳辐射时还具有储热功能，可以在一定时间内避免空气温度的较大波动。本发明可根据使用要求建造较大容量的空气吸热器，可用于常压和高压系统。

选择碳化硅、氮化硅、石墨等耐温高材料作为固体颗粒可在1200℃及更高温度范围内使用，确保了本发明的空气吸热器可用于较高的温度。碳化硅、石墨等固体颗粒的导热系数高温时可大于10W/（mK），而且具有很高的辐射吸收率，通过设计颗粒的形状和大小，可以最大限度吸收投入的太阳辐射能。堆积于石英玻璃管中固体颗粒群具有较大的比表面积，确保了换热过程中空气与吸热体间可获得较高的传热效率。

本发明的固体颗粒堆积床式空气吸热器，以堆积于石英玻璃管中的固体颗粒为吸热介质，空气为传热流体。所述的吸热器包括位于上部的热空气集箱、位于下部的冷空气集箱和与热空气集箱、冷空气集箱密封连接的石英玻璃管束组成。石英玻璃管束为多根管径相同或者不同的石英玻璃管排列而成。石英玻璃管内充满固体颗粒。热空气集箱的侧面或底部开有一个或多个热空气出口，冷空气集箱的侧面或底部开有一个或多个冷空气入口。固体颗粒为球形、椭球形或者其他形状，颗粒大小可以相同也可以不同，固体颗粒的形状、颗粒直径和颗粒密度等参数由流入石英玻璃管束中空气速度分布决定，其原则是实现固体颗粒与空气充分换热，吸热器工作在高温环境，吸热器未用于接收太阳光的部分包覆有耐高温保温层，以控制热量的散失。

本发明工作过程如下：