塔式吸热器保温装置及保温方法与流程

1.本发明涉及太阳能热发电技术领域，特别涉及一种塔式吸热器保温装置及保温方法。


背景技术：

2.太阳能是世界上最丰富、清洁并可广泛获取的可再生能源，太阳能发电技术是缓解能源危机的有效手段，应用前景广阔。按照太阳能集热方式的不同，太阳能发电技术主要分为光热发电和光伏发电两种，目前工程实际应用的光热发电技术可以分为四种，分别为槽式太阳能发电系统、线性菲涅耳式发电系统、塔式太阳能发电系统和碟式太阳能发电系统。其中塔式光热发电系统具有容量大、聚光比和运行温度高、光热转换效率高、经济效益高等优点，是目前发展最为迅速的光热发电技术之一。
3.塔式太阳能发电站是利用众多的定日镜，将太阳光反射到吸热塔顶部的吸热器中，加热吸热管内的传热介质，从而达到聚光和转换成传热介质热能的目的。位于吸热塔顶部的吸热器属于塔式太阳能发电系统中的核心设备，其通常包括吸热管、上集箱和下集箱等。吸热管内流通的工质在吸收太阳光的辐射能后，在上集箱或者下集箱内混合然后再进入下一管屏继续吸热或流出吸热器。
4.为了防止聚焦后的太阳光直接照射在上、下集箱和吸热器内部的管道上，通常在吸热器的上集箱和下集箱处的周围布置体积庞大的保温箱和防护砖。由于体积庞大的保温箱的遮挡，在预热期间，吸热器受光面下部区域无法被定日镜场反射的太阳光所照射到，导致此处的温度较低，容易引起熔盐凝固和吸热管爆管等事故发生。


技术实现要素：

5.本发明针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种塔式吸热器保温装置，在预热初始阶段，通过化学储热物质的还原反应将太阳能以内能的形式储存起来，而当定日镜场聚光集中时，热化学储热物质温度下降并将储存起来的能量通过氧化反应释放并加热气体，加热后升温的气体经风帽向外排出，吹扫以加热吸热管的下端，保证吸热管整体的温度均衡。
6.具体来说，本发明提供了一种塔式吸热器保温装置，对塔式吸热器的吸热管进行保温处理，包括：
7.储热单元，包括多孔金属和负载于其上的化学储热物质，多孔金属作为储热单元的框架本体并设置于塔式吸热器的下集箱的外周；
8.气流管道，设置于储热单元的内部，气流管道的入口和出口均形成于储热单元的表面；
9.进气装置，与气流管道的入口相连，用于向气流管道内通入高压的气体；
10.排气管道，与气流管道的出口相连，并利用多个风帽将气流管道内的气体排出，风帽的排气孔朝向下集箱的与吸热管连接的一侧；
11.热电偶，检测储热单元的温度。
12.相较于现有技术而言，本发明提供的塔式吸热器保温装置，在预热初始阶段，定日镜场聚光较为分散，反射的太阳光会照射到下集箱处的储热单元，通过化学储热物质的还原反应将太阳能以内能的形式储存起来，而当定日镜场聚光集中时，热化学储热物质温度下降并将储存起来的能量通过氧化反应释放出来加热气体，加热后升温的气体进入排气管道后经过风帽向外排出，吹扫以加热吸热管的下端。如此，提高预热期间吸热管下端的温度，减小吸热管上端和下端的温差，保持吸热管整体的温度均衡。
13.另外，作为优选，气流管道的入口设于储热单元的远离吸热管的一侧，气流管道的出口设于储热单元的靠近吸热管的一侧，排气管道为环状结构、且周向环绕于储热单元的靠近吸热管的一侧。
14.根据该优选方案，气流管道入口的位置设置便于布置进气装置，气流管道出口的位置设置便于排布风帽。气体自气流管道内流入环状的排气管道，从而向吸热管底部的周向吹扫，均匀加热吸热管的底部。
15.进一步地，作为优选，气流管道呈螺旋状，并沿储热单元的周向盘绕。
16.根据该优选方案，螺旋状的气流管道增加了气体的流通路径，延长了气体被加热的时间，气体能够有效被加热，温度较高的气体能够更好地加热吸热管的下端。
17.另外，作为优选，风帽的顶部为半球状、下端呈柱体状，排气孔开设于顶部，下端为空心结构并与排气孔相连通，下端与排气管道的出口滑动配合。
18.根据该优选方案，当高压气体流经风帽时，风帽上升，放开排气孔，实现排气。当无气体流动或低压气体流经风帽时，风帽不动，封闭排气孔，实现密封。
19.进一步地，作为优选，风帽固连于排气管道，风帽与排气管道相连的一端开口处设有花瓣状挡片。
20.根据该优选方案，当高压气体流经风帽时，花瓣状挡片弯曲，高压气体进入风帽并从排气孔排出，实现排气。
21.另外，作为优选，热电偶为沿储热单元的周向分布的多个，多个热电偶插入储热单元的深度不全相同。
22.根据该优选方案，热电偶在储热单元的不同位置、深度检测温度，能够全面检测并精准反应储热单元的温度变化。
23.另外，作为优选，塔式吸热器保温装置还包括与进气装置和热电偶均通信连接的控制模块。
24.根据该优选方案，利用控制模块能够自动根据热电偶检测到的储热单元的温度控制进气装置的动作，实现塔式吸热器保温装置的保温工作的自动化和智能化。
25.另外，作为优选，塔式吸热器保温装置还包括连通设置于气流管道和进气装置之间的流量控制器。
26.根据该优选方案，流量控制器能够调节进入气流管道的气体，适应储热单元内部不同温度下的需求，使气流管道出口的气体温度在一定的范围内波动。
27.另外，作为优选，储热单元设有包裹在多孔金属外侧的金属外壳。
28.根据该优选方案，包裹住储热单元的金属外壳可以防止化学储热物质从多孔金属的缝隙中脱落，保持储热单元的整体稳定性。
29.本发明还提供了一种塔式吸热器保温装置的保温方法，利用如前述任一技术方案中的塔式吸热器保温装置对吸热管进行保温，包括如下步骤：
30.预热初始阶段，定日镜将太阳光反射到储热单元，储热单元受热升温；
31.当化学储热物质的温度高于第一预设温度时，化学储热物质发生还原反应吸热，将热量以化学储热物质的内能的形式存储；
32.定日镜场聚光集中后，储热单元的温度逐渐降低；
33.当化学储热物质的温度低于第二预设温度时，化学储热物质发生氧化反应放热，将储存在化学储热物质内部的能量放出；
34.当热电偶检测到储热单元的温度高于启动温度时，开启进气装置；
35.进气装置向储热单元内部的气流管道通入高压的气体，气体在气流管道内流通的过程中吸收多孔金属和化学储热物质的显热以及化学储热物质发生反应所放出的热量并升温，升温的气体进入排气管道后经风帽改变流动方向和风速后排出，朝向吸热管的底部吹扫以加热吸热管；
36.当热电偶检测到储热单元的温度低于启动温度时，关闭进气装置。
37.相较于现有技术而言，本发明提供的塔式吸热器保温装置的保温方法，在预热初始阶段，通过化学储热物质的还原反应将太阳能以内能的形式储存起来，而当聚光集中时，热化学储热物质温度下降并将储存起来的能量通过氧化反应释放并加热气体，加热后升温的气体进入排气管道后经过风帽向外排出，吹扫以加热吸热管的下端。如此，提高预热期间吸热管下端的温度，减小吸热管上端和下端的温差，保持吸热管整体的温度均衡。
附图说明
38.图1是本发明实施方式一中塔式吸热器的结构示意图；
39.图2是本发明实施方式一中塔式吸热器保温装置的结构示意图；
40.图3是图2中a-a线的剖面示意图；
41.图4是图3中风帽的剖面示意图；
42.图5是图3中储热单元的局部剖面示意图；
43.图6是本发明实施方式二中风帽的结构示意图。
44.附图标记说明：
45.1、吸热管；2、下集箱；3、定日镜；4、储热单元；41、多孔金属；42、化学储热物质；43、金属外壳；5、气流管道；6、进气装置；7、排气管道；71、出气管口；8、热电偶；9、风帽；91、排气孔；92、风帽的顶部；93、风帽的下端；94、花瓣状挡片；10、控制模块；11、流量控制器。
具体实施方式
46.下面结合说明书附图，对本发明进行进一步的详细说明。附图中示意性地简化示出了塔式吸热器保温装置的结构等。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.参见图1所示，在塔式吸热器中，下集箱2呈圆柱形设置，吸热管1与下集箱2的顶端连接。下集箱2平台的直径大于吸热管1围成的柱状屏的外径。在定日镜3反射太阳光时，下集箱2平台会对吸热管1底部造成遮挡，吸热管1底部接收不到照射，吸热管1顶部温度高而底部温度过低，容易发生吸热管1热应力过大并变形，甚至可能会造成吸热管1爆管等事故。
49.为此，本发明提供了一种塔式吸热器保温装置，在吸热管1的受光面下部区域温度较低时，通过热气吹扫吸热管1的底部，对吸热管1进行局部加热，保持吸热管1整体的温度均衡。
50.实施方式一
51.本发明的第一实施方式提供了一种塔式吸热器保温装置，参见图2所示，包括储热单元4、设置在储热单元4内部的气流管道5、与气流管道5的入口相连的进气装置6、与气流管道5的出口相连的排气管道7以及测量储热单元4温度的热电偶8，排气管道7利用风帽9将气流管道5内的气体排出。
52.更具体的，结合图2和图3所示，储热单元4包覆在下集箱2外周，包括形成为储热单元4的框架本体的多孔金属41，在多孔金属41上负载有化学储热物质42。多孔金属41由微小球状体(俗称粉末)经高温烧结而成，金属内部各个方向都布满极微小细孔，化学储热物质42充满多孔金属41的缝隙。进气装置6通过气流管道5的入口向气流管道5内部通入气体，从气流管道5内部排出的气体利用排气管道7及其上的风帽9将气体排出。
53.由于风帽9处阻力较大，需要将气体从常压提升到一定压力，来克服气体流动过程中的压力损失。进气装置6可以是空压机或者蒸发器，从而向气流管道5内通入高压的空气或者水蒸气，两种气体均较容易获得且无污染。
54.这里的下集箱2外周，指的是下集箱2的除顶端和底端外的侧面外围，本实施方式中，下集箱2呈圆柱体状，下集箱2外周为圆柱体的侧面，储热单元4呈环状地包覆在下集箱2中。
55.多孔金属41可以是泡沫铜，其作为化学储热物质42的载体，具有导热性好、耐高温而且在高温下不与化学储热物质42发生反应的优点。一方面，化学储热物质42可以快速把外界的温度传递给化学储热物质42，另一方面，外界温度变化、化学储热物质42发生氧化或者还原反应时的温度变化也可以通过多孔金属41传递给排气管道7。
56.化学储热物质42是指在温度变化时会发生化学反应，从而进行吸热和放热的物质。本实施方式中，化学储热物质42为金属氧化物，进一步地为铁、钴、铜的氧化物。
57.基于上述塔式吸热器保温装置的结构，本实施方式还提供了一种塔式吸热器保温装置的保温方法，包括如下步骤：
58.预热初始阶段，定日镜3将太阳光反射到储热单元4，储热单元4受热升温；
59.当化学储热物质42的温度高于第一预设温度t1时，化学储热物质42发生还原反应吸热，将热量以化学储热物质42的内能的形式存储；
60.定日镜场聚光集中后，储热单元4的温度逐渐降低；
61.当化学储热物质42的温度低于第二预设温度t2时，化学储热物质42发生氧化反应放热，将储存在化学储热物质42内部的能量放出；
62.当热电偶8检测到储热单元4的温度高于启动温度t3时，开启进气装置6；
63.进气装置6向储热单元4内部的气流管道5通入高压的气体，气体在气流管道5内流
通的过程中吸收多孔金属41和化学储热物质42的显热、化学储热物质42发生反应所放出的热量并升温，升温的气体进入排气管道7后经风帽9改变流动方向和风速后排出，朝向吸热管1的底部吹扫以加热吸热管1；
64.当热电偶8检测到储热单元4的温度低于启动温度t3时，关闭进气装置6。
65.具体而言，在预热初始阶段时，塔式吸热器保温装置将定日镜3反射到下集箱2平台上的太阳能传递给储热单元4，储热单元4中的多孔金属41首先被加热，随着多孔金属41的升温，多孔金属41将热量传递给负载于其上的化学储热物质42。当化学储热物质42的温度升高到第一预设温度t1时，化学储热物质42发生还原反应，吸收热量，从而将太阳能以化学能的形式存储在化学储热物质42的内部。
66.当定日镜场聚光集中后，照射到下集箱2平台上的太阳光减少，储热单元4中的多孔金属41首先降温，随着多孔金属41的降温，负载于多孔金属41上的化学储热物质42的温度也逐渐降低。当化学储热物质42的温度降低到第二预设温度t2时，化学储热物质42发生氧化反应放热，将储存在化学储热物质42内部的能量放出。
67.热电偶8检测储热单元4上的温度：
68.当热电偶8检测到储热单元4的温度高于启动温度t3时，塔式吸热器保温装置投入工作，进气装置6启动，向气流管道5内通入高压气体，该气体未经加热，温度较低。低温的气体在气流管道5内流通的过程中，被高温的多孔金属41、化学储热物质42的显热、化学储热物质42发生氧化反应后释放的热量加热后升温，升温后的高温气体进入排气管道7，再经过风帽9排出，通过吹扫来加热吸热管1的底部。
69.当热电偶8检测到储热单元4的温度低于启动温度t3时，进气装置6关闭，停止向气流管道5内通入气体，塔式吸热器保温装置停止工作。
70.启动温度t3可以设置为第二预设温度t2，也可以高于或者低于第二预设温度t2，优选启动温度t3与第二预设温度t2的差值不大于20℃。如此设置，可以在化学储热物质42释放热量的同时，或者前后，尽快地通入高压气体，在吸热管1底部的温度大幅下降之前，利用化学储热物质42反应所释放的热量加热气体后吹扫吸热管1的底部，及时加热吸热管1，保持吸热管1整体的温度均衡、一致，避免了因吸热管1上下温度差较大而导致的热应力过大以及变形，也避免了吸热管1爆管等事故。
71.在本实施方式的实际应用中，以氧化铁(fe2o3)作为化学储热物质42为例，第一预设温度t1为1000℃，第二预设温度t2为600℃，启动温度t3为580℃。
72.本实施方式中的塔式吸热器保温装置及保温方法，利用下集箱2的外周空间安装塔式吸热器保温装置，结构设计合理，无需另行安排空间，占用空间小。
73.利用热电偶8能够实时监测储热单元4的温度变化，从而根据温度变化及时通入气体，进而吸收储热单元4所释放的热量后对吸热管1底部进行局部加热。在吸热器的下集箱2外加装储热单元4，对下集箱2也起到一定的保温作用，可以减少下集箱2保温层的设计厚度，节省材料，节约成本。
74.热电偶8优选设置多个，多个热电偶8沿储热单元4的周向均匀分布，多个热电偶8插入储热单元4的深度不全相同，优选为深度都不相同。通过在储热单元4的不同位置、深度设置的多个热电偶8，可以全面检测并精准反应储热单元4的温度变化。
75.风帽9在不同工况可分别起到排气和密封作用，在气流管道5内压强达到特定值后
可实现定压、定向排气，在气流管道5内压强达不到特定值时风帽9下落，起到密封的作用。
76.本实施方式将通过定日镜3反射到吸热器的下集箱2平台的太阳能转化为化学储热物质42本身的化学能、多孔金属41以及负载的化学储热物质42的显热，再利用高压气体将上述储存的热量加以利用，有效提高太阳能的利用效率。
77.另外，在早上启动塔式吸热器时，同时启动本塔式吸热器保温装置，将热气体吹扫到吸热管1底部，可以对吸热器进行预热，缩短吸热器的启动时间。
78.气流管道5的入口设于储热单元4的下方，也即远离吸热管1的一侧，该入口设置的较低，便于布置进气装置6以及后述的流量控制器11，避免将其设置于下集箱2的上平台而遮挡吸热管1。气流管道5的出口设于储热单元4的上方，也即靠近吸热管1的一侧，该出口距离吸热管1较近，便于排布风帽9。另外，温度较低的气体从气流管道5的底部通入，在升温的过程中密度逐渐减小，能够自动地向上运动，并在排气管道7内突破风帽9后排出。
79.排气管道7为环状结构，在储热单元4的顶部绕储热单元4的周向环绕，在排气管道7的顶部间隔均匀的开有小口，安装风帽9。加热吸热排气管道7环状设置于储热单元4的顶部，利用风帽9能够呈环状地均匀吹扫、加热塔式吸热器的吸热管1，保持吸热管1的上下端温度均衡稳定。
80.若排气管道7与吸热管1的距离过近，则风帽9只能吹扫到吸热管1的最底部，加热面积较小；若排气管道7与吸热管1的距离过远，则吹扫到吸热管1的气体的温度降低，热量损失较大。设置排气管道7与吸热管1的距离为10-15cm，可以在减少气体热量损失的情况下，提高风帽9对吸热管1的加热面积。
81.结合图2和图3所示，风帽9有多个，多个风帽9在排气管道7上均匀分布，也即沿储热单元4的周向均匀分布，从多个风帽9吹出的热气体能够均匀吹扫吸热管1的下端，吸热管1均匀受热，保持恒温。进入排气管道7的高温气体经过风帽9能改变气体的流动方向和风速，使气体对着吸热管1的下端进行吹扫来加热吸热管1。
82.若风帽9的数量较多、相邻风帽9的间距较小，则高温气体的流速较低，吹扫吸热管1的高度较低，热损失较大；若风帽9的数量较少，则吸热管1的部分区域接收不到来自高温气体的热量，起不到均匀加热的效果，而且阻力损失较大。因此，对于直径在10m左右的吸热器，设置相邻风帽9之间的间距为15-20cm，数量为80-100，在保证风帽9的吹扫高度的情况下均匀加热吸热管1的多个区域，同时减小阻力损失。
83.参见图4所示，风帽的顶部92为半球状，风帽的顶部92的外形光滑，风阻小。风帽9与排气管道7滑动设置，具体为风帽的下端93呈柱体状并为空心结构，排气管道7在小口处设置出气管口71，风帽的下端93与出气管口71滑动配合。风帽的顶部92设有多个与风帽的下端93连通的排气孔91，从而实现风帽9的多角度排气，通气时可全方位对吸热管1下部进行吹扫。当高压气体流经风帽9时，风帽9上升，放开排气孔91，实现排气。当无气体流动或低压气体流经风帽9时，风帽9不动，封闭排气孔91，实现密封。
84.气流管道5呈螺旋状地环绕储热单元4的周向设置，从而增加进气装置6通入的气体在气流管道5内的流通路径以及时间，被加热气体受热充分。
85.塔式吸热器保温装置还包括控制模块10，热电偶8以及进气装置6均与控制模块10通信连接。热电偶8实时检测储热单元4的温度，并将温度信息传递给控制模块10，控制模块10根据接收到的温度信息控制进气装置6的启动或者制动，实现塔式吸热器保温装置动作
的自动化和智能化。
86.塔式吸热器保温装置还包括流量控制器11，流量控制器11的进出口分别与气流管道5、进气装置6连接，从而能够控制进气装置6内气体的流量。流量控制器11调节进入气流管道5的气体的流量，从而适应储热单元4内部不同温度下的需求，使气流管道5出口的气体温度在一定的范围内波动。当储热单元4内部的温度较高时，选用较大的流量；当储热单元4内部的温度较低时，减小气体流量。
87.流量控制器11也可以与控制模块10通信连接，从而在控制模块10的控制下实现精准、自动化地动作。控制模块10可以独立于其他部件设置，也可以设置在热电偶8或者流量控制器11的内部，其具体位置并没有严格规定。
88.气流管道5采用金属材质，其导热性能优异、传热快速，能够将多孔金属41及其负载的化学储热物质42的显热、化学储热物质42的化学能通过气流管道5传递给气体。
89.若气流管道5的直径较小，则高压气体的流动阻力较大，进气装置6需要提供更高的动力；若气流管道5的直径过大，则管程较短，高压气体吸收的热量减少，出口的温度较低。因此，设置气流管道5的直径为8-12cm,在保证气流管道5管程的前提下减小高压气体的流动阻力，降低进气装置6所需提供的动力。
90.参见图5所示，在储热单元4的外侧还包裹设置有金属外壳43，金属外壳43包裹住多孔金属41，防止化学储热物质42从多孔金属41的缝隙中脱落，还可起到一定的保温、防护作用，防止外力对储热单元4造成损坏。
91.实施方式二
92.本发明的第二实施方式提供了一种塔式吸热器保温装置，第二实施方式是对第一实施方式的进一步改进，未做特别说明的部分包括附图标记及文字描述，均与第一实施方式相同，在此不再赘述。
93.第二实施方式相对于第一实施方式的主要改进之处在于，在本发明的第二实施方式中，结合图6来看，风帽的下端93固连于排气管道7，风帽的下端93与排气管道7相连的一端开口处设有花瓣状挡片94，排气孔91设置于风帽9的内部。当高压气体流经风帽9时，花瓣状挡片94弯曲，高压气体进入风帽9并从排气孔91排出，实现排气。当无气体流动或低压气体流经风帽9时，花瓣状挡片94不动，高压气体无法进入风帽9，实现密封。
94.对于本领域技术人员来说，在本发明技术思想的范围内能够根据需要而对于上述控制方法的各个步骤进行删减或者顺序调整。
95.本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本技术各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。