帶有內插件的管式固體顆粒太陽能吸熱器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種塔式太陽能熱發電用固體顆粒吸熱器。
【背景技術】
[0002]由于石油、天然氣等化石能源的日益枯竭、價格飛漲，傳統熱力發電逐步喪失其原有的地位；而隨著核電技術的發展，也出現了近年來諸如福島等地的核泄露事件，不僅妨害了我們的用電安全性，也威脅了我們的生命財產安全。在這種情況下，太陽能熱發電技術無疑是較為安全、可靠、節能、環保的一種發電方式。
[0003]吸熱器是太陽能熱發電中實現光熱轉化的關鍵部件，吸熱器的熱性能將直接影響到太陽能集熱系統的熱效率，從而影響到太陽能熱發電站的發電量。設計吸熱器的一個關鍵目標是盡可能提高吸熱器內傳熱流體的溫度。以流動的固體顆粒為吸熱體的粒子式吸熱器近十年來得到了廣泛關注。美國專利US4777934公布了采用帶有粒子以壓縮空氣為傳熱流體的吸熱器，其溫度可被加熱至700°C，但該吸熱器無法應用到更高的溫度，而且該吸熱器的過程熱量損失較大。美國專利US4499893公布的固體顆粒吸熱器的最高工作溫度為800°C，由于采用復雜結構以提高吸熱器效率，可靠性不高。美國專利US3908632公布了一種固體顆粒吸熱器系統，被加熱的固體顆粒-空氣混合物經固體顆粒分離，換熱后固體顆粒和空氣循環利用，氣固混合物溫度在400-750°C，但吸熱器結構復雜，熱效率不高。中國專利CN102135334A公布了基于石英管束的固體顆粒空氣吸熱器，由于采用石英管內固體顆粒流化吸熱的結構，吸熱過程中控制難度較大。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是克服現有下落式固體顆粒吸熱器中固體顆粒出口溫度不高的缺點，提出一種帶有內插件的管式太陽能固體顆粒吸熱器。本發明可以維持太陽能熱發電站中吸熱器固體顆粒溫度的穩定性，同時被加熱的固體顆粒在系統中可以作為一個熱能存儲的單元進行儲熱。
[0005]本發明采用石英玻璃作為石英吸熱管材料，使用固體顆粒作為吸熱體，使用耐高溫石英玻璃制作內插件，利用石英玻璃的耐高溫和高透過率特性實現透光，利用固體顆粒的耐高溫和高輻射吸收率實現高效吸熱，通過內插件延緩固體顆粒在石英吸熱管內吸熱段的吸熱時間，以提高出口處固體顆粒的出口溫度。固體顆粒在石英吸熱管內保持運動，固體顆粒之間充分換熱，避免了固體顆粒吸熱器內部區域粒子群的過熱，也有效消除了容積式吸熱器內吸熱體材料局部“熱斑”的影響，提高吸熱器運行的安全性和可靠性，也同時延長了使用壽命。
[0006]本發明可根據使用要求建造較大容量的固體顆粒吸熱器，可用于常壓和高壓系統。選擇碳化硅、氮化硅、石墨、炭黑等耐高溫材料作為固體顆粒可在1200°C及更高溫度范圍內使用，確保了本發明的空氣吸熱器可用于較高的溫度。碳化硅、石墨等固體顆粒的導熱系數在1200°C時大于10W/(m K)，而且具有很高的輻射吸收率，通過設計粒子的形狀和大小，可以最大限度吸收投入的太陽輻射能。固體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。
[0007]本發明為一種帶內插件的管式太陽能吸熱器，以流動的固體顆粒作為吸熱介質和儲熱材料，以固體顆粒作為傳熱流體。所述的吸熱器由石英吸熱管、內插件、固體顆粒和內插件的固定裝置組成。石英吸熱管的上方開有固體顆粒的入口，石英吸熱管的下方開有固體顆粒的出口。內插件固定裝置位于石英吸熱管的垂直正上方，內插件通過剛性連接或柔性懸掛連接的方式與內插件固定裝置連接，內插件固定裝置將內插件固定于吸熱管內部。固體顆粒裝載在石英吸熱管內部。所述的內插件為螺旋旋轉插件、螺旋臺階插件或粒子節流插件等形式。固體顆粒從石英吸熱管上端受到重力的作用自然下落，由于內插件的存在延長了固體顆粒在石英吸熱管內部停留的時間，從而達到延長固體顆粒加熱時間的目的，獲得更高溫度的出口固體顆粒。
[0008]本發明的工作過程如下:
[0009]經聚光設備收集的聚光輻射能流投射至透明石英吸熱管外表面，一部分輻射能流被石英吸熱管的表面反射，一部分聚光輻射能流被透明石英吸熱管吸收，一部分聚光輻射能流透過透明石英投射至石英吸熱管內部，這部分投射的聚光輻射能流被石英吸熱管內部的內插件和固體顆粒所吸收。
[0010]吸熱器工作時，固體顆粒自上向下下落，在石英吸熱管內部由于重力的作用向下自然下落，由于內插件的存在，固體顆粒和內插件之間充分換熱，同時固體顆粒與石英吸熱管內壁面之間也會有較強的碰撞而進行熱量交換，有利于石英吸熱管內部顆粒溫度的均衡。而固體顆粒尺寸較小，因此多個固體顆粒之間、固體顆粒與內插件以及固體顆粒與石英吸熱管內壁面之間的傳熱面積較大，傳熱效率較高。選擇固體顆粒直徑在0.0l-1Omm之間，減少粒子直徑可以增加固體顆粒的比表面積，可以提高固體顆粒的傳熱效率，同時提升固體顆粒的溫度。固體顆粒在石英吸熱管內部不停流動，對石英吸熱管有一定的冷卻作用，可以提升石英吸熱管在使用過程中運行的可靠性和安全性。
[0011]受熱的固體顆粒自石英吸熱管底端的固體顆粒出口處離開石英吸熱管，進入換熱器中與傳熱流體進行換熱。換熱器位于石英吸熱管出口處，其作用是將被加熱的固體顆粒與傳熱工質進行換熱，從而得到被加熱的傳熱工質。換熱結束后被冷卻的固體顆粒通過粒子傳送機構運送至石英吸熱管頂端的固體顆粒入口處，其中粒子傳送機構位于換熱器的出口和固體顆粒入口之間，使固體顆粒可以流回至位于石英吸熱管頂端的固體顆粒入口處，并重復以上步驟對固體顆粒反復利用。
[0012]本發明結構簡單，可按照需求設計固體顆粒的直徑大小，同時可以調整內插件的結構，可以實現投入聚光輻射能流的高效吸收，并可以實現加熱粒子溫度的最大化。
【附圖說明】
[0013]圖1本發明實施例1帶螺旋旋轉插件的管式固體顆粒吸熱器結構示意圖；
[0014]圖2本發明帶螺旋旋轉插件的管式固體顆粒吸熱器螺旋旋轉插件示意圖；
[0015]圖3本發明實施例2帶螺旋臺階插件的管式固體顆粒吸熱器結構示意圖；
[0016]圖4本發明帶螺旋臺階插件的管式固體顆粒吸熱器螺旋臺階插件示意圖；
[0017]圖5本發明實施例3帶粒子節流插件的管式固體顆粒吸熱器結構示意圖；
[0018]圖6本發明帶粒子節流插件的管式固體顆粒吸熱器的粒子節流插件示意圖；
[0019]圖7本發明帶有內插件的管式固體顆粒吸熱器工作原理示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0021]圖1所示為本發明實施例1帶螺旋旋轉內插件的管式固體顆粒吸熱器。該吸熱器由內插件固定結構1、螺旋旋轉內插件3、固體顆粒4和石英吸熱管5組成。石英吸熱管5的上方開有固體顆粒入口 2，石英吸熱管5的下方開有固體顆粒出口 6。內插件固定結構I位于石英吸熱管5的垂直正上方，螺旋旋轉內插件3通過剛性或柔性懸掛連接的方式與內插件固定結構I連接，其作用是將螺旋旋轉內插件3固定于石英吸熱管5的內部。工作時固體顆粒4在石英吸熱管5內部受螺旋旋轉內插件3的影響自由下落。石英吸熱管5由耐高溫的石英玻璃制成，其一側接受聚光輻射能流7。螺旋旋轉內插件3由石英玻璃制成，是固體顆粒4下落的軌道。固體顆粒4從固體顆粒入口 2流入，從固體顆粒出口 6流出，在石英吸熱管5內部沿螺旋旋轉內插件3向下運動。固體顆粒4和石英吸熱管5直徑的選擇由太陽能聚光輻射能流7決定，其原則是使進入石英吸熱管5的聚光輻射能流7盡可能多的被固體顆粒4吸收。受熱的固體顆粒4自石英吸熱管5底端的固體顆粒出口 6處離開石英吸熱管，進入換熱器8中與傳熱流體進行換熱。換熱器8位于石英吸熱管出口 6處，其作用是將被加熱的固體顆粒4與傳熱工質進行換熱，從而得到被加熱的傳熱工質。換熱結束后被冷卻的固體顆粒4通過粒子傳送機構9運送至石英吸熱管頂端的固體顆粒入口 2處，其中粒子傳送機構9位于換熱器8的出口和固體顆粒入口 2之間，使固體顆粒4可以流回至位于石英吸熱管5頂端的固體顆粒入口 2處，以便對固體顆粒4反復利用。未工作時石英吸熱管5的固體顆粒6保持關閉狀態，固體顆粒4靜止地處于石英吸熱管5中。固體顆粒5具有較高的輻射吸收率，可在1200°C以上溫度長期使用工作，固體顆粒5為球形、橢球形或其他形狀，其大小可以相同也可以不同，材料可以是碳化硅陶瓷、石墨或氮化硅陶瓷等。內插件固定結構I的主要作用是固定螺旋旋轉內插件3。
[0022]圖2所示為螺旋旋轉內插件3的結構。螺旋旋轉內插件3的表面形狀為螺旋曲面，該螺旋曲面為由一條線段圍繞與其垂直的軸線旋轉，同時沿著軸向方向平移形成。該螺旋曲面的表面為光滑表面或粗糙表面，其表面上可以有減緩粒子運動的凸起或凹陷結構。螺旋旋轉內插件3由耐高溫石英玻璃制成。其中，兩層螺旋旋轉面之間的距離要大于固體顆粒4直徑。冷的固