一种塔式太阳能超临界空气吸热器

1.本发明属于太阳能高温热利用技术领域，具体涉及一种塔式太阳能超临界空气吸热器。


背景技术：

2.能源和环境问题已成为世界难题，化石燃料面临枯竭，环境问题日益突出，如何解决这一世界难题已成为我们必须面临的问题。解决能源环境问题就是在能源需求满足的情况下提高能源利用效率、减少化石燃料等不可再生能源的消耗及污染物排放。在这种情况下，太阳能发电迎来前所未有的重要发展机遇。相较于光伏发电，光热发电具有输出连续稳定可调、碳排放量低等独特优势，但光热发电成本居高不下也成为其无法得到商业化应用的一大原因。在众多光热发电利用形式中，塔式太阳能发电系统因为其高光热转换效率、高聚光比等优点而具有更广阔的应用前景。吸热器作为塔式太阳能的核心吸热部件，考虑到其因为吸热面受热不均而产生的热疲劳、热棘轮等问题会对吸热器的稳定性与吸热效率造成严重影响，如何保证吸热器在稳定运行的前提下能够使光热转换效率最大化已成为现在塔式太阳能发电系统取得进步的关键技术问题。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术中的不足，提供一种塔式太阳能超临界空气吸热器。该装置结构简单，拆装固定方便，具有很高的换热效率与光热转换率，对来自非均匀、非稳态、高热流密度下的热载荷和热冲击具有较好的承受能力，能较好的处理目前平板式吸热器由于局部受热不均引起的热疲劳、热棘轮等问题。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种塔式太阳能超临界空气吸热器，其特征在于，包括：吸热板、圆筒夹套、进出口管道、相变工质和换热介质；所述吸热板吸收太阳光的热量并传递给位于吸热板内的相变工质，所述相变工质发生相变释放热量，热量通过圆筒夹套的外壁传递给位于圆筒夹套内部的换热介质；所述进出口管道包括进口管道和出口管道，所述换热介质通过进口管道流进圆筒夹套，通过出口管道流出圆筒夹套。
5.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：进一步地，所述吸热板为多边形状，吸热板的外表面覆盖有吸热涂层。
6.进一步地，所述吸热板和圆筒夹套之间焊接有加强筋。
7.进一步地，所述圆筒夹套包括圆筒外壁面、隔板、圆筒内壁面、上密封盖板和下密封盖板；所述圆筒外壁面、圆筒内壁面、上密封盖板和下密封盖板紧密拼接形成圆筒结构，圆筒夹套内部由隔板将整个圆筒结构平均分隔成若干个夹套单元，每个夹套单元单独作为一个换热介质流道，若干个相连的夹套单元组成一个换热介质流道回程。
8.进一步地，所述隔板根据安装方式分为三类，各换热介质流道回程之间通过第一类隔板完全隔开，所述第一类隔板密封连接在上密封盖板和下密封盖板之间；各换热介质
流道回程内通过第二类隔板和第三类隔板形成换热介质流道，所述第二类隔板与上密封盖板密封连接，第二类隔板与下密封盖板不相接，所述第三类隔板与上密封盖板不相接，第三类隔板与下密封盖板密封连接；各换热介质流道回程中，第二类隔板和第三类隔板沿周向交替布置。
9.进一步地，每个夹套单元内设置有若干个肋片。
10.进一步地，所述进口管道和出口管道均垂直于上密封盖板设置，每个换热介质流道回程对应于一组进口管道和出口管道。
11.进一步地，所述相变工质为金属锡。
12.进一步地，所述换热介质为净化加压后的空气。
13.进一步地，还包括熔盐储热层，所述熔盐储热层安装在圆筒夹套的内侧。
14.本发明的有益效果是：1）圆筒夹套承压能力强，压缩空气压力大幅度提高，载热能力得到提升；同时结构紧凑，空间利用率高，制造工艺简单，运行维护成本低。此外还提供了可自主选择的加强筋设计用以强化整体系统强度，加强筋的形式和数量可根据实际情况选择。
15.2）采用圆弧状密封盖板与隔板的使用，让空气在夹套单元间流动换热时无需依靠管道，减少了管道与腔体之间的焊缝数量，提高了吸热器的稳定行。同时圆弧状与板式盖板相比可以承受更高的空气压力，防止超临界压缩空气在夹套单元内流动时对结构造成破坏。
16.3）相变工质采用具有熔点低、粘度低、工作温度范围广以及传热效率高等特点的液态金属锡。液态金属锡能够在更高的热流密度下运行，提高了吸热器的传热性能和效率，并且其熔点较低，启动迅速。当吸热器工作出现局部高温时，液态锡可以快速将这部分热量移走，延长了吸热器的使用寿命。
17.4）该吸热器结构能使压缩空气加热到超临界状态，大大提升吸热器的发电效率。采用热管原理，避免了太阳光直接照射，通过间接传热可以解决由于直接传热造成的热应力所带来的热疲劳、热棘轮等问题，很好的延长了吸热器的使用寿命。
18.5）圆筒夹套单元内设置肋片，拓展了压缩空气侧传热面积，同时增加了压缩空气的停留时间，增强了夹套内部的空气换热效果，空气温度越高，压力越大，提高了产出的高温空气质量。
19.6）提供了可自主选择的熔盐储热层，当太阳被云层遮住时，可依靠熔盐热量继续运行。
附图说明
20.图1为本发明的塔式太阳能超临界空气吸热器外形图。
21.图2为本发明的塔式太阳能超临界空气吸热器管道流程图。
22.图3为本发明的塔式太阳能超临界空气吸热器工作示意图。
23.图4a为本发明的夹套单元的结构示意图。
24.图4b为本发明的夹套单元间换热流体流动路线示意图。
25.图5为本发明的塔式太阳能超临界空气吸热器纵剖图及局部放大图。
26.图6为本发明的工作流程示意图。
27.附图标记如下：1-吸热板；2-圆筒夹套；2.1-圆筒外壁面；2.2-隔板；2.4-圆筒内壁面；2.5-上密封盖板；2.6-下密封盖板；3-进出口管道；3.1-进口管道；3.2-出口管道；4-相变工质；5-换热介质；6-熔盐储热层。
具体实施方式
28.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
29.如图1所示的塔式太阳能超临界空气吸热器，由吸热板1、圆筒夹套2、进出口管道3等组成。由定日镜场聚集的太阳光照射在吸热板1上，通过热管原理进行间接式传热，能够有效解决直接传热带来的巨大温差而引起的热应力、热疲劳等问题。
30.吸热板1为多边形状，板式结构可让太阳光更均匀地分布在表面，吸热板1外表面可覆盖吸热涂层以增强吸热能力。吸热板材料为耐高温合金材料等与液态相变工质相容的材料。
31.如图2和图3所示，工作中，聚集的太阳光被反射在吸热板1上，通过吸热涂层吸热升温将热量传递至吸热板1内部，相变工质4在吸收热量后相变，并放出大量热量。
32.相变工质4采用金属锡，但不限于锡及锡与其它金属的混合物。锡的熔点是231
°
c，在常温下沸点高达2400
°
c，工作温度范围宽，由于其低熔点高沸点的物理特性，适合工业应用。在安全性方面，金属锡以及其氧化物是无毒的；在发生泄漏的情况下，金属锡表面会迅速形成氧化物外壳避免进一步氧化。液化后的金属锡溶液具有良好的流动性能，可以强化管间传热，在局部有高热流输入时，液态锡可以快速移走热量，防止局部温度过高，进而形成高效稳定的传热，使吸热板1表面的热流密度更均匀，很好地解决了由受热不均引起的热疲劳、热棘轮等问题。
33.在吸热板1与圆筒夹套2外壁设有加强筋，加强筋通过焊接或者其他工艺连接在圆筒夹套2外壁与吸热板1之间，可在加强筋上通孔或者选择半封闭式加强筋以保证锡溶液的流动。加强筋的种类和数量可根据实际情况选择。加强筋的布置可以强化吸热器整体的强度，进一步保障运行的平稳性。
34.吸热器还设有熔盐储热层6，可同样采用夹套设计，内部布置有氯化盐或者氟化盐。当太阳被云层遮住时，可利用熔盐储热层6为吸热器提供热量，保障吸热器的平稳运行。
35.如图2、图4a、图4b和图5所示，圆筒夹套2由圆筒外壁面2.1、隔板2.2、肋片2.3、圆筒内壁面2.4、上密封盖板2.5和下密封盖板2.6等组成。圆筒夹套2内部由隔板2.2将整个圆筒平均隔成若干个夹套单元（w1～wn，e1～en），每个夹套单元单独作为一个换热介质流道，若干个夹套单元组成一个换热介质流道回程，具体单元数可根据实际需求进行增减。换热介质流道回程间用隔板2.2完全隔开，同时隔板2.2加强了圆筒夹套2的稳定性；换热介质5由进口管道3.1进入夹套单元后，沿着由隔板2.2组成的流道在夹套单元之间流动，多夹套单元组成的换热介质流道回程提高了换热介质5的吸热效果，在吸收热量后由出口管道3.2进入膨胀机膨胀做功带动发电机发电。
36.具体地，如图4b所示，隔板2.2根据安装方式分为三类，各换热介质流道回程之间通过第一类隔板完全隔开，第一类隔板密封连接在上密封盖板2.5和下密封盖板2.6之间；各换热介质流道回程内通过第二类隔板和第三类隔板形成换热介质流道，第二类隔板与上密封盖板2.5密封连接，第二类隔板与下密封盖板2.6不相接，第三类隔板与上密封盖板2.5
不相接，第三类隔板与下密封盖板2.6密封连接。各换热介质流道回程中，第二类隔板和第三类隔板沿周向交替布置。
37.每个夹套单元内设置了多个肋片2.3，肋片2.3数量可根据实际需求设置。由于圆筒夹套2承压能力强，且肋片2.3的存在拓展了传热面积，肋片2.3可增加压缩空气的流程和停留时间，提高了输出压缩空气的温度，温度越高，压力越大，则发电效率越高。
38.上密封盖板2.5和下密封盖板2.6为圆弧状，与板式盖板相比可以承受更高的压力，防止超临界压缩空气在夹套单元内流动时对结构造成冲击破坏。
39.进出口管道3均垂直于上密封盖板2.5，图中是由两根进口管道3.1以及两根出口管道3.2组成。换热介质5从流道回程的进口管道3.1流入圆筒夹套2，在经过多个夹套单元共同组成的流道回程换热后，由出口管道3.2流出后输入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电。
40.进口管道3.1与出口管道3.2都可以由集合管与分支管组成，集合管管径粗，分支管管径细，分支管与夹套单元相接，纯化后的压缩空气通过进口集合管输入，再通过分支管进入夹套单元进行吸热，最后通过出口分支管进入出口集合管，输入膨胀机膨胀做功发电。分支管具体数量可根据实际需求设定。
41.换热介质5采用超临界压缩空气，在对空气压缩前先对空气进行净化，除去空气中的固体以及杂质气体；可通过压缩机将空气压力加至一定压力，由于圆筒夹套2的承压能力强，可以使用更高压力的压缩空气来提高其载热能力。
42.本发明的工作原理是：太阳光由定日镜场反射在吸热板1上，使吸热器内部的相变工质4发生相变进行传热，由热管原理进行间接传热，有效解决直接传热带来的巨大温差而引起的热应力、热疲劳等问题。热量通过吸热板1传递到圆筒夹套2。由入口管道3.1进入圆筒夹套2的换热介质5为事先通过空气净化装置以及压缩机净化加压至超临界状态的压缩空气。通过空气净化装置去除空气中的固体以及杂质气体。压缩空气通过在圆筒夹套2内的换热介质流道回程中流动，将传至圆筒夹套2内部的热量带走，多回程的设置以及夹套单元内肋片2.3的使用能使压缩空气达到更高的温度。当压缩空气达到相应的工作温度后，由出口管道3.2输出高温空气，之后进入膨胀机膨胀做功带动发电机工作。设置可以自主选择的熔盐储热层6，当太阳被云层遮住时，可通过熔盐储热夹套为压缩空气提供热量，保障吸热器的正常运行。
43.需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
44.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。