一种容积式太阳能吸热器

1.本发明属于太阳能聚光集热利用领域，尤其是一种采用透明栅格和球体进行吸热并与气体工质换热的容积式太阳能吸热器。


背景技术：

2.太阳能是清洁环保和分布广泛的可再生能源，开发利用太阳能资源是我国实现能源结构升级并助力“碳达峰、碳中和”目标的重要途径之一。例如开发和利用太阳能进行高温供热或热发电，该技术的实现通常是采用大面积反射镜组成的聚光器将低密度太阳光聚集到一个小型的腔体吸热器内，并被吸热器内的吸热体吸收，进而产生高温来加热传热工质，实现太阳光能到工质热能的转换；然后，通过这些热工质对外供热，或推动热机（例如蒸汽涡轮发动机）做功带动发电机并生产电能。无论是中高温供热还是高品位的太阳能光热发电利用，太阳能吸热器始终是其核心装置，它的光-热转换性能及其运行温度直接影响整个太阳能光热利用系统的运行效率和经济性。
3.由于空气介质工作温度不受限制（可以高达1000℃以上），它不会像太阳能光热用熔盐和导热油一样存在高温分解（一般在500℃以内）和低温冷冻等问题，而且空气介质的获取极为方便且低廉。因此，采用空气作为传热介质的容积式太阳能吸热器是太阳能高温热利用的重要形式之一。现有技术中（如授权公告号cn103123175b和专利号zl201610803966.8），容积式太阳能吸热器通常由一个腔体形状的外筒体、安装在外筒体内部的由多孔介质材料制造的吸热体、固定在密封筒体前端开口位置的并用于透过聚光器聚集的太阳光的玻璃盖板组成闭式容腔；吸热体吸收聚集来的太阳光能，空气从密封筒体靠近玻璃盖板侧的进气管进入容腔，再经过吸热体被加热后沿密封筒体尾端的出气管流出。实际工作时由于太阳光在多孔介质中的穿透距离很小，主要高温区域均在其外露的表层，这将导致红外辐射热损失严重；另外现有的多孔介质吸热器的储热能力不足，自身的储热量有限。因此，摒弃传统的多孔介质容积式吸热器思路，发明创造一种具备大储热量、高效光-热转换且低热损失的积式太阳能吸热器，对提升太阳能聚光热发电站的经济性能尤为重要。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的采用透明栅格和球体进行吸热并与气体工质换热的容积式太阳能吸热器，具有低热损失且高效光-热转换效果，以及储热功能。
5.本发明采用的技术方案是：一种容积式太阳能吸热器，包括支撑腔体、位于支撑腔体内的至少一个透明栅格、若干限位环、弹性元件、吸热球体元件和包裹于支撑腔体外表面的保温层；所述的支撑腔体由仅前端全开口的圆柱或圆锥状空腔的筒体、固定安装在筒体开口前端面的中心带有圆形通孔的前端板、固定安装在前端板外侧用于封闭前端板的圆形通孔的石英窗组成；所述的透明栅格由设有若干孔洞的凹形曲面和环状体组合而成，该环
状体的外表面与筒体的内表面同轴并略带间隙配合，透明栅格的凹面朝向石英窗；该环状体面对前端板的一侧端面依次通过限位环、弹性元件与前端板顶紧，另一端与固定在筒体内表面的限位环靠紧定位；所述的吸热球体元件包括与透明栅格的凸面一定距离且固定在筒体内表面的球体固定网ⅰ、位于球体固定网ⅰ与筒体底面之间的且与筒体内表面固定的球体固定网ⅱ、在球体固定网ⅰ和球体固定网ⅱ之间的采用石英玻璃材料制造的球体ⅰ，以及在球体固定网ⅱ和筒体底面之间的采用耐高温的金属或陶瓷制造的球体ⅱ；该球体固定网ⅰ和球体固定网ⅱ是阻挡球体流动的大孔隙率的耐高温金属网板；所述的前端板设有工质流入孔，筒体底面设有工质流出孔，该工质流出孔的内部设有阻挡吸热球体ⅱ流出的耐高温的阻挡网；所述的工质为空气或超临界二氧化碳。
6.上述的容积式太阳能吸热器中，所述的球体ⅱ的外表面涂覆有对太阳光高吸收率且低红外发射的涂层；该球体ⅱ为外部为金属或陶瓷层并内部包裹有储热介质的球壳结构；所述的储热介质是高温相变材料。
7.上述的容积式太阳能吸热器中，所述的透明栅格有2个，同轴并列布置且用限位环分隔；靠近前端板的透明栅格通过限位环、弹性元件与前端板顶紧，靠近吸热球体元件的透明栅格与固定在筒体内表面的限位环靠紧定位；所述的弹性元件为弹簧或带弹性的叠片。
8.上述的容积式太阳能吸热器中，所述的透明栅格为石英玻璃材料制造，透明栅格的凹形曲面为圆锥曲面、球面、抛物面或椭球面；该曲面的凹表面涂覆有减少太阳光线反射的减反膜；所述的透明栅格的凹形曲面的孔洞为圆形、三角形、方形或腰形孔；该孔洞沿透明栅格的凹形曲面的周向均匀阵列。
9.上述的容积式太阳能吸热器中，所述的球体ⅰ和球体ⅱ都均匀层叠布置，球体ⅰ的直径大于球体ⅱ。
10.上述的容积式太阳能吸热器中，所述的前端板的中心圆形通孔与筒体的前端开口同轴布置；该筒体的内表面涂覆有对太阳光低吸收率的耐高温涂层。
11.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1）本发明将透明栅格、石英吸热球体ⅰ和非透明吸热球体ⅱ依次布置在支撑腔体内部，聚光器聚集的太阳光依次通过透明栅格、球体ⅰ进行透射并吸收部分光能，最终到达非透明吸热球体ⅱ进行完全吸收；气体工质首先从透明栅格的孔洞流过并换热，然后依次进入石英球体和带储热非透明球体进行高湍流强度的高效换热，实现了高温换热区域后移至球体ⅰ后半区域和球体ⅱ区域，结合石英材料的热辐射低透过性，可有效减少热辐射损失到吸热器外部环境中；2）本发明采用球体ⅰ和包裹储热介质的球体ⅱ进行吸热、换热和储热，实现了储-传热的有效集成，具有结构简单且运行可靠的特点；3）低温工质首先从吸热器的石英窗和透明栅格流过，能有效降低两者的服役温度，这不仅可以减小热损失，而且还可以改善它们的热应力，提升服役安全可靠性。
附图说明
12.图1为本发明的容积式太阳能吸热器的结构剖分图。
13.图中：1-弹性元件；2-保温层；3-筒体；4-石英窗；5-前端板；6-限位环ⅰ；7-透明栅格ⅰ；8-限位环ⅱ；9-透明栅格ⅱ；10-限位环ⅲ；11-球体固定网ⅰ；12-球体ⅰ；13-球体固定网ⅱ；14-球体ⅱ；15-阻挡网。
具体实施方式
14.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
15.如图1所示，本发明包括支撑腔体、位于支撑腔体内的至少一个透明栅格7、若干限位环（6、8和10）、弹性元件1、吸热球体元件和包裹于支撑腔体外表面的保温层2；所述的支撑腔体由仅前端全开口的圆柱或圆锥状空腔的筒体3、固定安装在筒体3前端面开口的中心带有圆形通孔的前端板5、固定安装在前端板5的外侧用于封闭前端板的圆形通孔的石英窗4组成；所述的透明栅格7由设有若干孔洞的凹形曲面和环状体组合而成，该环状体的外表面与筒体3的内表面同轴并略带间隙配合，透明栅格7的凹面朝向石英窗4；该环状体面对前端板5的一侧端面依次通过限位环ⅰ6、弹性元件1与前端板5顶紧，另一端与固定在筒体3内表面的限位环ⅲ10靠紧定位；所述的吸热球体元件包括与透明栅格7的凸面一定距离且固定在筒体3内表面的球体固定网ⅰ11、位于球体固定网ⅰ11与筒体3底面之间的且与筒体内表面固定的球体固定网ⅱ13、在球体固定网ⅰ11和球体固定网ⅱ13之间的采用石英玻璃材料制造的球体ⅰ12，以及在球体固定网ⅱ13和筒体3底面之间的采用耐高温的金属或陶瓷制造的球体ⅱ14；该球体固定网ⅰ11和球体固定网ⅱ13是阻挡球体流动的大孔隙率的耐高温金属网板；所述的前端板5设有工质流入孔，筒体3底面设有工质流出孔，该工质流出孔的内部设有阻挡吸热球体ⅱ14流出的耐高温的阻挡网15；该工质流入孔中的换热工质为空气或超临界二氧化碳等气体工质。
16.优选的，所述的球体ⅱ14的外表面涂覆有对太阳光高吸收率且低红外发射的涂层；该球体ⅱ14为外部为金属或陶瓷层并内部包裹有储热介质的球壳结构；所述的储热介质是高温相变材料。
17.优选的，所述的透明栅格7有2个，同轴并列布置且用限位环ⅱ8分隔；靠近前端板5的透明栅格ⅰ7通过限位环ⅰ6、弹性元件1与前端板5顶紧，靠近吸热球体元件的透明栅格ⅱ9与固定在筒体3内表面的限位环ⅲ10靠紧定位；该弹性元件1为弹簧或带弹性的叠片。
18.优选的，所述的透明栅格为石英玻璃材料制造，透明栅格的凹形曲面为圆锥曲面、球面、抛物面或椭球面；该曲面的凹表面涂覆有减少太阳光线反射的减反膜；该透明栅格的凹形曲面的孔洞为圆形、三角形、方形或腰形孔；该孔洞沿透明栅格的凹形曲面的周向均匀阵列。
19.优选的，所述的球体ⅰ12和球体ⅱ14都均匀层叠布置，球体ⅰ12的直径大于球体ⅱ14。
20.优选的，所述的前端板5的中心圆形通孔与筒体3的前端开口同轴布置；该筒体3的内表面涂覆有对太阳光低吸收率的耐高温涂层。