專利名稱：一種太陽(yáng)能熱發(fā)電站用石英玻璃管束式空氣吸熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能熱發(fā)電站用空氣吸熱器。

背景技術(shù)：
太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年減少、國(guó)際能源形勢(shì) 日趨嚴(yán)峻的今天，開發(fā)利用太陽(yáng)能是實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)多元化、保證能源安全的重要途徑之一。 塔式熱發(fā)電裝置基本原理是利用眾多的定日鏡，將太陽(yáng)輻射反射到置于塔上的太陽(yáng)能接收 器上，借助加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫空氣，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組，產(chǎn)生電能。高溫太陽(yáng)能吸熱 器是塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件。國(guó)外圍繞此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了諸多研究，主要集中在美國(guó)、西 班牙、德國(guó)、以色列、澳大利亞、韓國(guó)等。其中應(yīng)用較多的是容積式吸熱器，就是一種由三維 基體所構(gòu)成的接收太陽(yáng)輻射的吸熱體，流過的工作流體與其進(jìn)行直接的熱交換而被加熱。 容積式太陽(yáng)能吸熱器通常有一個(gè)空心殼體，用于容納容積式太陽(yáng)能吸收裝置，殼體由玻璃 透光窗覆蓋，形成封閉的吸熱裝置腔體，腔體可以容納與吸收裝置直接接觸的工作流體，工 作流體流過吸熱裝置腔體，從吸收裝置上吸收熱量。美國(guó)專利4394859公開了一種以空氣 為傳熱流體的柱狀金屬管式吸熱器，該吸熱器對(duì)金屬要求較高，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，而且許 用能流密度較低，難以獲得高溫度的空氣。美國(guó)專利4777934公布了采用帶有粒子的壓縮 空氣為傳熱介質(zhì)的太陽(yáng)能吸熱器，其溫度可被加熱至700°C，該吸熱器無法應(yīng)用到更高的溫 度。美國(guó)專利US6668555B1公布了基于吸熱器的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，采用熱管式太陽(yáng)能吸熱 器，其傳熱工質(zhì)為空氣，雖然傳熱效率較高，但應(yīng)用于高溫需要采用金屬鈉等物質(zhì)作為熱管 內(nèi)的相變材料，對(duì)安全性要求苛刻。中國(guó)專利CN2758657提出了腔式太陽(yáng)能吸收器，分為內(nèi) 外兩個(gè)腔，內(nèi)腔體臨近石英玻璃窗表面涂覆太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，并且采用不同的物質(zhì) 用于傳熱和蓄熱，用于高溫場(chǎng)合，但其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。中國(guó)專利CN2872208提出了一種空腔 式太陽(yáng)能吸收器，采用了針管冷卻玻璃窗、管狀吸熱體，管狀吸熱體的換熱表面積小，傳熱 效率不高，冷卻玻璃窗也難于制作為較大尺寸，無法應(yīng)用于大功率吸熱器。綜上所述，為了獲得高溫空氣，對(duì)于容積式空氣吸熱器而言，其吸熱體均保持固定 不動(dòng)，需要吸熱材料自身具有極高的抗熱震性能，需要耐受極強(qiáng)的非均勻太陽(yáng)能輻射能流 加熱，具備較大比表面積以獲得與空氣間的較高傳熱效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有空氣吸熱器內(nèi)吸熱體在高溫、高熱流密度下易于破壞、 空氣流動(dòng)過程流量分配不均等不足，提供一種以石英玻璃管束的石英玻璃管為空氣流道， 流動(dòng)的固體吸熱顆粒為吸熱體的空氣吸熱器。本發(fā)明以石英玻璃管束的石英玻璃管為空氣流道，利用石英玻璃的高透光率和耐 高溫特性，采用流動(dòng)的固體吸熱顆粒為吸熱體，利用固體吸熱顆粒的吸收率高、耐高溫、導(dǎo) 熱系數(shù)高、比表面積大的特點(diǎn)進(jìn)行高效吸熱與換熱。固體吸熱顆粒在接收太陽(yáng)輻射時(shí)隨空氣一起流動(dòng)，從而避免單個(gè)顆粒在高熱流密度區(qū)內(nèi)被長(zhǎng)時(shí)間加熱。流動(dòng)的吸熱體利于空氣溫度場(chǎng)的均勻和吸熱體溫度均勻，避免了通 常容積式吸熱器的吸熱體局部“熱斑”的出現(xiàn)，大大提高了吸熱器的安全性。流動(dòng)的固體吸 熱顆粒具有儲(chǔ)熱功能，可以在一定時(shí)間內(nèi)避免空氣溫度的較大波動(dòng)。本發(fā)明可根據(jù)使用要 求建造較大容量的空氣吸熱器，可用于常壓和高壓系統(tǒng)。選擇碳化硅、氮化硅、石墨等耐溫高材料作為固體吸熱顆粒可在1200°C及更高溫 度范圍內(nèi)使用，確保了本發(fā)明的空氣吸熱器可用于較高的溫度。碳化硅、石墨等固體吸熱顆 粒的導(dǎo)熱系數(shù) 高溫時(shí)可大于low/(m K)，而且具有很高的輻射吸收率，通過設(shè)計(jì)顆粒的形狀 和大小，可以最大限度吸收投入的太陽(yáng)輻射能。固體吸熱顆粒群具有較大的比表面積，確保 了換熱過程中空氣與吸熱體間可獲得較高的傳熱效率。本發(fā)明的石英玻璃管束式空氣吸熱器，以流動(dòng)的固體吸熱顆粒為吸熱介質(zhì)，空氣 為傳熱介質(zhì)。所述的吸熱器包括位于上部的熱空氣集箱、位于下部的冷空氣集箱和與熱空 氣集箱、冷空氣集箱密封連接的石英玻璃管束組成，石英玻璃管束為多根相同管徑或者管 徑不同的石英玻璃管排列而成，石英玻璃管內(nèi)為處于流動(dòng)狀態(tài)的固體吸熱顆粒，熱空氣集 箱設(shè)有一個(gè)或幾個(gè)熱空氣出口，冷空氣集箱設(shè)有一個(gè)或幾個(gè)冷空氣入口。固體吸熱顆粒為 球形、橢球形或者其他形狀，顆粒大小可以相同也可以不同，固體吸熱顆粒的形狀、顆粒直 徑和顆粒密度等參數(shù)由流入石英玻璃管束中空氣速度分布決定，其原則是實(shí)現(xiàn)固體吸熱顆 粒與空氣充分換熱并保持有規(guī)律的流動(dòng)狀態(tài)。吸熱器工作在高溫環(huán)境，吸熱器未用于接收 太陽(yáng)光的部分包覆有耐高溫保溫層，以控制熱量的散失。本發(fā)明工作過程如下經(jīng)聚光設(shè)備收集的聚光輻射能流投射至組成石英玻璃管束的石英玻璃管表面，部 分輻射能被石英玻璃管面向輻射能量投入側(cè)的表面反射，部分輻射能流被石英玻璃管吸 收，部分輻射能流被石英玻璃管內(nèi)流動(dòng)的固體吸熱顆粒反射和吸收，流動(dòng)的固體吸熱顆粒 間有空隙，輻射能流在空隙間傳播，輻射能被固體吸熱顆粒吸收轉(zhuǎn)換為熱能，使得固體吸熱 顆粒溫度升高，溫度較低的冷空氣與溫度較高的固體吸熱顆粒表面間進(jìn)行對(duì)流傳熱，由于 固體吸熱顆粒尺寸較小，使得空氣與固體吸熱顆粒間的傳熱面積較大，傳熱效率較高。選擇 固體吸熱顆粒直徑在0. Ol-IOmm之間，降低顆粒直徑可以增加空氣與固體吸熱顆粒的換熱 面積，提高空氣的傳熱效率。不同溫度的固體吸熱顆粒間彼此碰撞，有利于整個(gè)氣固兩相流 場(chǎng)內(nèi)的溫度均勻。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可按需求設(shè)計(jì)固體吸熱顆粒的粒徑大小，加之調(diào)整空氣的流動(dòng) 速度，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)輻射能高效吸收、熱量高效傳遞給空氣的目的。本發(fā)明可以獲得溫度范圍 為700°C-160(TC、常壓或IMPa壓力以上的高溫空氣。同時(shí)固體吸熱顆粒具有儲(chǔ)熱功能，可 以在一定時(shí)間間隔內(nèi)控制空氣溫度輸出參數(shù)的波動(dòng)。


圖1石英玻璃管束式空氣吸熱器工作原理圖；圖2以非壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行原理圖；圖3壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行原理圖；圖中1石英玻璃管束、2固體吸熱顆粒、3冷空氣集箱、4熱空氣集箱、5冷空氣入 口、6熱空氣出口、7聚光輻射能流、8定日鏡場(chǎng)、9支撐塔、10石英玻璃管束式空氣吸熱器、11冷空氣、12風(fēng)機(jī)、13熱空氣、14蒸汽發(fā)生器、15水泵、16汽輪機(jī)、17發(fā)電機(jī)、18水換熱器、19 空氣壓縮機(jī)、20冷壓縮空氣、21熱壓縮空氣、22空氣透平。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。圖1所示為本發(fā)明石英玻璃管束式空氣吸熱器。該吸熱器由石英玻璃管束1、固 體吸熱顆粒2、冷空氣集箱3、熱空氣集箱4、冷空氣入口 5和熱空氣出口 6組成。石英玻璃 管束1由多根石英玻璃管排列組成，石英玻璃管的直徑可以相同也可以不同，其排列形式 可以是順序排列或交叉排列。石英玻璃管束1的排列形式與管束數(shù)量受投入的聚光輻射能 流7的特性決定，其原則是確保投入至吸熱器上的所有聚光輻射能流7均被固體吸熱顆粒2 和組成石英玻璃管束1的多根石英玻璃管吸收。固體吸熱顆粒2具有高的輻射吸收率，可 在1600°C以上溫度長(zhǎng)期使用，固體吸熱顆粒2的直徑可以相同也可以不同，固體吸熱顆粒 的形狀、顆粒直徑和顆粒密度等參數(shù)由流入石英玻璃管束1中空氣速度分布決定，其原則 是實(shí)現(xiàn)固體吸熱顆粒2與空氣充分換熱并保持有規(guī)律的流動(dòng)狀態(tài)，固體吸熱顆粒2的材料 可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。冷空氣集箱3位于石英玻璃管束1的下部，與石 英玻璃管束1的下部密封連接。冷空氣集箱3可實(shí)現(xiàn)冷空氣匯集和空氣壓力與流量分配， 兼有存儲(chǔ)從石英玻璃管束1落下的固體吸熱顆粒2的功能，冷空氣集箱3的側(cè)面或底部設(shè) 有一個(gè)或多個(gè)冷空氣入口 5，冷空氣入口 5的位置、尺寸和數(shù)量依據(jù)冷空氣和固體吸熱顆粒 2的流場(chǎng)特征決定。熱空氣集箱4位于石英玻璃管束1的上部，與石英玻璃管束1的上部密 封連接，可實(shí)現(xiàn)熱空氣匯集和空氣壓力分配，兼有存儲(chǔ)被空氣從石英玻璃管束1中吹出的 固體吸熱顆粒2的功能，熱空氣集箱4的側(cè)面或頂部設(shè)有一個(gè)或多個(gè)熱空氣出口 6，熱空氣 出口 6的位置、尺寸和數(shù)量依據(jù)熱空氣和固體吸熱顆粒2的流場(chǎng)特征決定。工作時(shí)，經(jīng)太陽(yáng)能聚光場(chǎng)提供的聚光輻射能流7投射至石英玻璃管束1的石英玻 璃管表面，聚光輻射能流7的絕大部分輻射能透過石英玻璃管壁至石英玻璃管束1內(nèi)隨空 氣一同流動(dòng)的固體吸熱顆粒2上，由于受空氣的浮升力、重力及不同直徑固體吸熱顆粒2的 碰撞力等作用，固體吸熱顆粒2可以保持較好的流動(dòng)狀態(tài)，由于固體吸熱顆粒2是具有較高 輻射吸收率，聚光輻射能流7被固體吸熱顆粒2吸收轉(zhuǎn)化為固體吸熱顆粒2的熱能，少部分 輻射能被石英玻璃管壁吸收，轉(zhuǎn)化為石英玻璃管的熱能，被加熱的固體吸熱顆粒2和石英 玻璃管壁溫度升高與來自冷空氣集箱3內(nèi)的冷空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，將冷空氣加熱為熱空氣 流入熱空氣集箱4內(nèi)從熱空氣出口 6流出，冷空氣入口 5不斷向石英玻璃管束1內(nèi)輸送冷 空氣，聚光輻射能流7通過固體吸熱顆粒2和石英玻璃管束1管壁的吸收和與冷空氣的對(duì) 流換熱，實(shí)現(xiàn)了輻射能到空氣熱能的轉(zhuǎn)換。圖2為以非壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行原理，工作時(shí)，定日鏡場(chǎng)8 上將太陽(yáng)光會(huì)聚至位于支撐塔9上的石英玻璃管束式空氣吸熱器10上，環(huán)境中的冷空氣11 經(jīng)風(fēng)機(jī)12被吹入石英玻璃管束式空氣吸熱器10內(nèi)，固體吸熱顆粒2吸收太陽(yáng)能輻射能后 溫度升高，冷空氣11經(jīng)與固體吸熱顆粒2對(duì)流換熱后被加熱為熱空氣13，熱空氣13流入蒸 汽發(fā)生器14內(nèi)與經(jīng)水泵15泵入的高壓水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽輸入至汽輪機(jī)16中做功帶動(dòng) 發(fā)電機(jī)17發(fā)電，經(jīng)汽輪機(jī)16做功后的過熱蒸汽經(jīng)水換熱器18換熱后在水泵15的作用下 流回蒸汽發(fā)生器14，完成水工質(zhì)的循環(huán)。
圖3為以 壓縮空氣為傳熱流體的太陽(yáng)能熱發(fā)電站運(yùn)行原理，工作時(shí)，定日鏡場(chǎng)8上 將太陽(yáng)光會(huì)聚至位于支撐塔9上的石英玻璃管束式空氣吸熱器10上，環(huán)境中的冷空氣11 經(jīng)空氣壓縮機(jī)19壓縮后成為冷壓縮空氣20，冷壓縮空氣20進(jìn)入石英玻璃管束式空氣吸熱 器10內(nèi)，固體吸熱顆粒2吸收太陽(yáng)能輻射能后溫度升高，冷壓縮空氣20經(jīng)與固體吸熱顆粒 2對(duì)流換熱后被加熱為熱壓縮空氣21，熱壓縮空氣21流入空氣透平22內(nèi)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī) 17發(fā)電和推動(dòng)空氣壓縮機(jī)19旋轉(zhuǎn)做功。熱壓縮空氣21在空氣透平22內(nèi)做功后流入蒸汽 發(fā)生器14內(nèi)與經(jīng)水泵15泵入的高壓水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽輸入至汽輪機(jī)16中做功帶動(dòng)發(fā) 電機(jī)17發(fā)電，經(jīng)汽輪機(jī)16做功后的過熱蒸汽經(jīng)水換熱器18換熱后在水泵15的作用下流 回蒸汽發(fā)生器14，完成水工質(zhì)的循環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能熱發(fā)電站用石英玻璃管束式空氣吸熱器，其特征在于，所述的吸熱器由 石英玻璃管束(1)、固體吸熱顆粒(2)、冷空氣集箱(3)、熱空氣集箱(4)、冷空氣入口(5)和 熱空氣出口(6)組成；所述的石英玻璃管束(1)由多根石英玻璃管排列組成，固體吸熱顆粒 (2)位于石英玻璃管束(1)中的石英玻璃管內(nèi)部，在工作過程中保持流動(dòng)；冷空氣集箱(3) 位于石英玻璃管束(1)的下部，并與石英玻璃管束(1)的下部密封連接；熱空氣集箱(4)位 于石英玻璃管束(1)的上部與石英玻璃管束(1)的上部密封連接，冷空氣集箱(3)的側(cè)面 或底部開有冷空氣入口(5)，熱空氣集箱(4)的側(cè)面或頂部開有熱空氣出口(6)。
2.按照權(quán)利要求1所說的太陽(yáng)能熱發(fā)電站用石英玻璃管束式空氣吸熱器，其特征在于 所述的固體吸熱顆粒(2)為耐1200°C以上溫度的固體顆粒。
3.按照權(quán)利要求1所說的太陽(yáng)能熱發(fā)電站用石英玻璃管束式空氣吸熱器，其特征在于 環(huán)境中的冷空氣(11)經(jīng)空氣壓縮機(jī)(19)壓縮后成為冷壓縮空氣(20)，冷壓縮空氣(20)進(jìn) 入石英玻璃管束式空氣吸熱器(10)內(nèi)，冷壓縮空氣(20)與固體吸熱顆粒(2)對(duì)流換熱后 被加熱為熱壓縮空氣(21)，熱壓縮空氣(21)流入空氣透平(22)內(nèi)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(17)發(fā) 電和推動(dòng)空氣壓縮機(jī)(19)旋轉(zhuǎn)做功，熱壓縮空氣(21)在空氣透平(22)內(nèi)做功后流入蒸汽 發(fā)生器(14)內(nèi)與高壓水換熱產(chǎn)生過熱蒸汽輸入至汽輪機(jī)(16)中做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)(17)發(fā) H1^ ο
全文摘要
一種石英玻璃管束式空氣吸熱器，由石英玻璃管束(1)、固體吸熱顆粒(2)、冷空氣集箱(3)、熱空氣集箱(4)、冷空氣入口(5)和熱空氣出口(6)組成，石英玻璃管束(1)由多根石英玻璃管組成，固體吸熱顆粒(2)位于石英玻璃管束(1)中的石英玻璃管內(nèi)部，在工作過程中保持流動(dòng)。冷空氣集箱(3)位于石英玻璃管束(1)的下部與石英玻璃管束(1)的下部密封連接，熱空氣集箱(4)位于石英玻璃管束(1)的上部與石英玻璃管束(1)的上部密封連接。冷空氣入口(5)位于冷空氣集箱(3)上，熱空氣出口(6)位于熱空氣集箱(4)上。本發(fā)明可獲得700℃-1300℃、常壓或者1MPa壓力以上的高溫空氣，同時(shí)利用自身的顯熱儲(chǔ)熱。
文檔編號(hào)F24J2/30GK102135334SQ20111004977
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月2日
發(fā)明者常春, 徐超, 李鑫, 王志峰, 王艷, 白鳳武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所