储热剂加热器及太阳能布莱顿储能热发电装置.pdf

本发明公开了一种储热剂加热器及太阳能布莱顿储能热发电装置。本发明中，太阳能布莱顿储能热发电装置包括：储热剂流量调节单元、太阳能收集单元、储热剂加热器、储热剂热交换单元、热发电单元以及储热剂传送单元。其中，储热剂流量调节单元分别与储热剂传送单元以及储热剂加热器相连，储热剂加热器还与太阳能收集单元以及储热剂热交换单元相连，储热剂热交换单元还与热发电单元以及储热剂传送单元相连。应用本发明可以大幅提高太阳能布莱顿热发电装置单台的最大发电功率达到兆瓦级，提升运行效率和彻底解决太阳能发电不能连续和稳定发电的使用难题。

权利要求书
1.  一种储热剂加热器，其特征在于，该储热剂加热器包括：伞状进料体、螺纹螺旋体以及储热剂收集器，其中，
伞状进料体，位于储热剂加热器上部，接收外部下泄的储热剂，下泄至螺纹螺旋体中，所述储热剂为陶瓷微球；
螺纹螺旋体，位于储热剂加热器中部，内腔为由耐高温材料制作的旋转多头螺纹螺旋体，所述耐高温材料包括但不限于碳化硅陶瓷，所述多头螺纹螺旋体的螺纹截面形状包括但不限于矩形、梯形，接收伞状进料体下泄的储热剂，根据外部太阳能收集单元中的单个或多个聚光器聚集的太阳能辐射强度，调节旋转多头螺纹螺旋体的旋转速度，调节储热剂下泄速度；利用太阳能收集单元输出的太阳能辐射，对通过旋转多头螺纹螺旋体下泄的储热剂进行加热，并将加热后的储热剂排入储热剂收集器；
储热剂收集器，位于储热剂加热器的下部，将旋转多头螺纹螺旋体下泄的储热剂分两路输出。

2.  根据权利要求1所述的储热剂加热器，其特征在于，所述螺纹螺旋体进一步包括：保温材料制作的保温体以及接收器旋转部分碳钢外壳，其中，
接收器旋转部分碳钢外壳位于螺纹螺旋体的外侧；
旋转多头螺纹螺旋体位于螺纹螺旋体的内侧，设置有用于接收来自伞状进料体的储热剂的多条螺旋滑道；
在旋转多头螺纹螺旋体与加热器旋转部分碳钢外壳之间，设置有用于储热剂保温的保温体，所述保温体材料包括但不限于陶瓷纤维、岩棉、硅酸铝。

3.  根据权利要求2所述的储热剂加热器，其特征在于，所述螺旋滑道沿旋转多头螺纹螺旋体径向均布并弯向旋转多头螺纹螺旋体的内壁。

4.  根据权利要求2所述的储热剂加热器，其特征在于，所述螺纹滑道的螺旋方向与旋转多头螺纹螺旋体的旋转方向相同或相反。

5.  根据权利要求2所述的储热剂加热器，其特征在于，所述螺纹滑道的螺旋角范围为5至85度之间。

6.  根据权利要求2所述的储热剂加热器，其特征在于，所述螺纹滑道的宽度为陶瓷微球直径的3～20倍。

7.  一种太阳能布莱顿储能热发电装置，其特征在于，包括：储热剂流量调节单元、太阳能收集单元、如权利要求1至6任一项所述的储热剂加热器、储热剂热交换单元、热发电单元以及储热剂传送单元，其中，
储热剂流量调节单元，用于根据太阳能收集单元输出的太阳能辐射强度，对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行调节，所述储热剂为陶瓷微球；
太阳能收集单元，用于通过单个或多个聚光器集聚太阳能，将集聚的太阳能向储热剂加热器输出；
储热剂热交换单元，用于将排入的高温储热剂加热从热发电单元输入的压缩空气，进行热交换，将热交换后的储热剂排入储热剂传送单元，以及，将加热热交换后的压缩空气输出至热发电单元；
储热剂传送单元，用于收集储热剂热交换单元下泄的储热剂，将收集的储热剂运送并输出至储热剂流量调节单元；
热发电单元，用于将从储热剂热交换单元输入的高温压缩空气进行热能与机械能以及机械能与电能的转换，得到电能；对吸入的常压空气进行压缩，将压缩空气与热发电单元发电后排出的烟气所含的余热进行初始热交换，将进行初始热交换的压缩空气输出至储热剂热交换单元。

8.  根据权利要求7所述的太阳能布莱顿储能热发电装置，其特征在于，所述陶瓷微球包括但不限于氧化铝、莫来石以及石英中的一种或其任意组合的混合体。

9.  根据权利要求7所述的太阳能布莱顿储能热发电装置，其特征在于，所述储热剂调节单元包括：料斗、卸料罐、卸料阀、储料罐以及储热剂流量控制阀，其中，
料斗，用于将从储热剂传送单元收集的储热剂排出至卸料罐；
卸料罐，用于存储从料斗下泄的储热剂；
卸料阀，设置在卸料罐底部，调节从卸料罐下泄至储料罐的储热剂流量；
储料罐，用于存储卸料罐通过卸料阀下泄的储热剂；
储热剂流量控制阀，设置在储料罐底部，根据太阳能收集单元输出的太阳能辐射强度，对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行调节。

10.  根据权利要求9所述的太阳能布莱顿储能热发电装置，其特征在于，所述储热剂调节单元进一步包括：分别连接料斗和卸料罐以及连接卸料罐以及储料罐的连接管道。

说明书储热剂加热器及太阳能布莱顿储能热发电装置
技术领域
本发明涉及太阳能热发电技术，尤其涉及一种储热剂加热器及太阳能布莱顿（BRAYTON）储能热发电装置。
背景技术
塔式太阳能热发电是太阳能热发电技术中建设大规模、产业化发电站技术与经济综合性最好的方式，而塔式热发电中的采用BRAYTON循环又比采用RANKINE循环具有效率高、过程短、造价省、用水少、容易实现太阳能和化石能源（燃油或天然气）混合发电的特点，与现有已实现产业化的采用RANKINE循环的塔式热发电技术相比是一种更有发展前途的技术，德国国家航天局太阳能研发中心（DLR）和以色列威茨曼研究院（WIS）是塔式BRAYTON太阳能热发电技术开发的杰出代表。
塔式BRAYTON循环的发电机组采用涡轮机作为驱动发电机的动力，需要利用太阳能，将有一定压力的空气加热到约900℃（低于这个温度将会使涡轮机的效率大幅下降）作为工质，DLR和WIS研发的腔体式集热器需要采用石英玻璃制造的罩，使腔体式集热器既能使阳光透过又能保持罩内空气的压力，为了保证石英玻璃罩与腔体式集热器体在高温下的可靠密封，还需对密封面进行水冷却。为了防止石英玻璃在1000℃以上易发生的再结晶而变成不透明的问题，必须采用高纯的石英玻璃。耐压的高纯石英玻璃罩制造困难，成本极高，难于大型化，使塔式BRAYTON太阳能发电装置单台的最大发电功率不能超过200KW（现有已建成的实验装置只有100KW）；同时这种腔体式集热器在较长期的运转的中已发生过石英玻璃罩损坏或密封破坏的现象，成为技术发展的瓶颈。另外，由于要求热空气的温度高，现有的塔式太阳能热发电中最多采用的以融盐（最常用的是硝酸钾和硝酸钠的混合物）作为储热剂也不能采用，因为熔盐的使用温度上限是600℃，远低于使涡轮机运行效率较佳的约900℃，导致BRAYTON储能热发电装置运行效率过低而无法采用。
发明内容
本发明的实施例提供一种储热剂加热器，提高太阳能布莱顿储能热发电装置单台的最大发电功率、提升运行效率。
本发明的实施例还提供一种太阳能布莱顿储能热发电装置，提高太阳能布莱顿储能热发电装置单台的最大发电功率、提升运行效率。
为达到上述目的，本发明实施例提供的一种储热剂加热器，该储热剂加热器包括：伞状进料体、螺纹螺旋体以及储热剂收集器，其中，
伞状进料体，位于储热剂加热器上部，接收外部下泄的储热剂，下泄至螺纹螺旋体中，所述储热剂为陶瓷微球；
螺纹螺旋体，位于储热剂加热器中部，内腔为由耐高温材料制作的旋转多头螺纹螺旋体，所述耐高温材料包括但不限于碳化硅陶瓷，所述多头螺纹螺旋体的螺纹截面形状包括但不限于矩形、梯形，接收伞状进料体下泄的储热剂，根据外部太阳能收集单元中集聚的太阳能辐射强度，调节旋转多头螺纹螺旋体的旋转速度，调节储热剂下泄速度，利用太阳能收集单元输出的太阳能辐射，对通过旋转多头螺纹螺旋体下泄的储热剂进行加热，并将加热后的储热剂排入储热剂收集器；
储热剂收集器，位于储热剂加热器的下部，将旋转多头螺纹螺旋体下泄的储热剂分两路输出。
较佳地，所述螺纹螺旋体进一步包括：保温材料制作的保温体以及接收器旋转部分碳钢外壳，其中，
接收器旋转部分碳钢外壳位于螺纹螺旋体的外侧；
旋转多头螺纹螺旋体位于螺纹螺旋体的内侧，设置有用于接收来自伞状进料体的储热剂的多条螺旋滑道；
在旋转多头螺纹螺旋体与加热器旋转部分碳钢外壳之间，设置有用于储热剂保温的保温体，所述保温体材料包括但不限于陶瓷纤维、岩棉、硅酸铝等。
较佳地，所述螺旋滑道沿旋转多头螺纹螺旋体径向均布并弯向旋转多头螺纹螺旋体的内壁。
较佳地，所述螺纹滑道的螺旋方向与旋转多头螺纹螺旋体的旋转方向相同或相反。
较佳地，所述螺纹滑道的螺旋角范围为5至85度之间。
较佳地，所述螺纹滑道的宽度为陶瓷微球直径的3～20倍。
一种太阳能布莱顿储能热发电装置，包括：储热剂流量调节单元、太阳能收集单元、如权利要求1至6任一项所述的储热剂加热器、储热剂热交换单元、热发电单元以及储热剂传送单元，其中，
储热剂流量调节单元，用于根据太阳能收集单元输出的太阳能辐射强度，对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行调节，所述储热剂为陶瓷微球；
太阳能收集单元，用于通过单个或多个聚光器集聚太阳能，将集聚的太阳能向储热剂加热器输出；
储热剂热交换单元，用于将排入的高温储热剂加热从热发电单元输入的压缩空气，进行热交换，将热交换后的储热剂排入储热剂传送单元，以及，将加热热交换后的压缩空气输出至热发电单元；
储热剂传送单元，用于收集储热剂热交换单元下泄的储热剂，将收集的储热剂运送并输出至储热剂流量调节单元；
热发电单元，用于将从储热剂热交换单元输入的高温压缩空气进行热能与机械能以及机械能与电能的转换，得到电能；对吸入的常压空气进行压缩，将压缩空气与热发电单元发电后排出的废气所含的余热进行初始热交换，将进行初始热交换的压缩空气输出至储热剂热交换单元。
较佳地，所述陶瓷微球包括但不限于氧化铝、莫来石以及石英中的一种或其任意组合的混合体。
较佳地，所述储热剂调节单元包括：料斗、卸料罐、卸料阀、储料罐以及储热剂流量控制阀，其中，
料斗，用于将从储热剂传送单元收集的储热剂排出至卸料罐；
卸料罐，用于存储从料斗下泄的储热剂；
卸料阀，设置在卸料罐底部，调节从卸料罐下泄至储料罐的储热剂流量；
储料罐，用于存储卸料罐通过卸料阀下泄的储热剂；
储热剂流量控制阀，设置在储料罐底部，根据太阳能收集单元输出的太阳能辐射强度，对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行调节。
较佳地，所述储热剂调节单元进一步包括：分别连接料斗和卸料罐以及连接卸料罐以及储料罐的连接管道。
较佳地，所述料斗、卸料罐以及卸料阀分别设置为两个，对称位于太阳能布莱顿储能热发电装置中心两侧。
较佳地，所述料斗和卸料罐为方形、长方形、圆形、椭圆形或多角形。
较佳地，进一步包括：储热剂加热器旋转传动大齿轮、储热剂加热器旋转传动小齿轮以及储热剂加热器旋转驱动变速电动机，其中，
旋转多头螺纹螺旋体由储热剂加热器旋转传动大齿轮驱动旋转，储热剂加热器旋转传动大齿轮由储热剂加热器旋转传动小齿轮驱动旋转，储热剂加热器旋转传动小齿轮由储热剂加热器旋转驱动变速电动机驱动旋转。
较佳地，进一步包括：
分程控制单元，用于感测储热剂加热器输出的储热剂温度，确定感测的储热剂温度低于预先设置的温度阈值，触发增大旋转多头螺纹螺旋体的旋转速度，减小储热剂在储热器中的下落速度；在旋转多头螺纹螺旋体的旋转速度达到最大值时，如果感测的储热剂温度还低于预先设置的温度阈值，则触发储热剂流量调节单元的储热剂流量控制阀关小，对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行减小调节。反之亦然，通过分程控制单元保证离开储热剂加热器的储热剂温度稳定在设定值。
较佳地，所述储热剂加热器轴线方向与竖直方向夹角为：-30°～30°。
较佳地，所述储热剂热交换单元包括：储热剂存储罐、卸料调节阀以及空气加热器，其中，
储热剂存储罐，用于存储从储热剂收集器下泄的储热剂；
卸料调节阀，设置在储热剂存储罐底部，调节从储热剂存储罐下泄至空气加热器的储热剂流量；
空气加热器，用于将排入的高温储热剂与从热发电单元输入的压缩空气进行热交换，将热交换后的储热剂排入储热剂传送单元，以及，将热交换后的压缩空气输出至热发电单元。
较佳地，所述储热剂存储罐包括高温颗粒主储存罐和高温颗粒小储存罐，储热剂存储罐的横截面可为方形、长方形、圆形、椭圆形和多角形。
所述卸料调节阀包括高温颗粒主储存罐自动卸料阀以及高温颗粒小储存罐自动卸料阀。
较佳地，所述空气加热器包括：壳体组件、颗粒进口组件、空气进出口管组件、空气加热管排组件、空气加热管排连接管以及颗粒出口组件，其中，
壳体组件，用于形成容置颗粒进口组件、空气进出口管组件、空气加热管排组件、空气加热管排连接管以及颗粒出口组件的内腔空间；
颗粒进口组件，设置在空气加热器顶部，用于将通过卸料调节阀下泄的储热剂导入壳体组件形成的内腔；
空气进出口管组件、空气加热管排组件、空气加热管排连接管，设置在空气加热器内腔中；
空气加热管排连接管，用于连通空气加热管排组件与空气进出口管组件，从空气进口管进入的中温压缩空气，进入空气加热管排组件，在与下泄的储热剂进行热交换后，高温压缩空气通过空气加热管排连接管经空气出口管组件进入热发电单元；
颗粒出口组件，用于将换热后的储热剂输出至储热剂传送单元。
较佳地，所述空气加热器进一步包括如下结构之一或其任意组合：
第一颗粒分流导向组件，用于对颗粒进口组件导入内腔的储热剂进行分流以扩展储热剂占据的空间；
壳体内壁颗粒流动转向导流樑，设置于壳体内壁，呈单倾斜形，以翻动下泄至壳体内壁颗粒流动转向导流樑上的储热剂；
内腔颗粒流动转向导流樑，设置于高温颗粒移动床空气加热器内腔中，呈双倾斜形，以翻动下泄至内腔颗粒流动转向导流樑上的储热剂；
颗粒下泄流量控制星形旋转阀，设置于空气加热管排组件的下方，通过星形旋转阀旋转速度的变化，调节高温颗粒移动床空气加热器内的储热剂的流量；
第二颗粒分流导向组件，设置在颗粒下泄流量控制星形旋转阀下方，用于对来自颗粒下泄流量控制星形旋转阀下泄的储热剂进行分流；
第三颗粒分流导向组件，设置在第二颗粒分流导向组件下方，用于对来自第二颗粒分流导向组件下泄的储热剂进行分流，输出至颗粒出口组件；
加热器颗粒卸料气动切换阀，设置在第三颗粒分流导向组件下方，用于切换流出高温颗粒移动床空气加热器的储热剂流向。
较佳地，进一步包括：星形旋转阀传动大齿轮、星形旋转阀传动小齿轮以及星形旋转阀驱动变速电动机，其中，
颗粒下泄流量控制星形旋转阀由星形旋转阀传动大齿轮驱动旋转，星形旋转阀传动大齿轮由星形旋转阀传动小齿轮驱动旋转，星形旋转阀传动小齿轮由星形旋转阀驱动变速电动机驱动旋转。
较佳地，所述空气进出口管组件、空气加热管排连接管为陶瓷管；所述空气加热管排组件由多根加热管组成，加热管的外壁为陶瓷管，管内充 填有比表面积系数500以上的泡沫陶瓷。所述陶瓷管和泡沫陶瓷材料是碳化硅，但不限于碳化硅。
较佳地，所述储热剂传送单元包括：中温颗粒主卸料罐、中温颗粒小卸料罐、中温颗粒主卸料罐自动卸料阀、中温颗粒小卸料罐自动卸料阀以及连接管道，其中，
从高温颗粒移动床空气加热器排出的中温储热剂，一部分中温储热剂通过连接管道进入中温颗粒主卸料罐，并通过设置在中温颗粒主卸料罐下部的中温颗粒主卸料罐自动卸料阀，自卸进入自装卸中温颗粒提升电梯料斗；另一部分中温储热剂通过另一连接管道进入中温颗粒小卸料罐，并通过中温颗粒小卸料罐自动卸料阀自卸进入另一个自装卸中温颗粒提升电梯料斗；卸料完毕后，两个自装卸中温颗粒提升电梯料斗分别被提升至太阳能热发电装置的顶部。
较佳地，所述热发电单元包括：空气过滤器、涡轮机燃烧室、回热器以及涡轮发电机组，其中，
空气过滤器，用于对外部输入的空气进行过滤后，输出至涡轮发电机组，
涡轮机燃烧室，用于将从储热剂热交换单元输入的高温压缩空气送入涡轮发电机组，高温压缩空气膨胀做功驱动涡轮发电机组转动发电，将做功后的气体排出至回热器；或，
在太阳能布莱顿储能热发电装置开工时或较长时间没有太阳能时，将喷入燃料进行燃烧，产生高温压力气体膨胀做功驱动涡轮发电机组转动发电，将做功后的气体排出至回热器；
涡轮发电机组对输入的空气进行压缩后，将压缩空气输出至回热器；
回热器，用于将涡轮发电机组排出的压缩气体与涡轮机排出的做功后的气体在回热器内换热，提升温度后，将压缩气体输出至储热剂热交换单元，同时将换热且做功后的气体作为废气排出。
较佳地，所述涡轮发电机组包括：涡轮机、压缩机、齿轮减速箱以及交流发电机，
所述涡轮机包括径向涡轮机和轴向涡轮机、或者，单级涡轮机和多级涡轮机，所述压缩机包括离心压缩机和轴流压缩机、或者，单级压缩机和多级压缩机，其中，
涡轮机，高温压缩空气在涡轮机内膨胀做功驱动发电机组转动以进行 热能与机械能的转换，并将做功后的气体输出至回热器；
压缩机，在涡轮机转动的驱动下旋转，对来自空气过滤器的空气进行压缩，将压缩空气输出至回热器；
齿轮减速箱，经涡轮机转动的驱动，使齿轮减速箱的输出轴的转速降低到交流发电机要求的同步转速，驱动交流发电机发电；
交流发电机，用于在齿轮减速箱的驱动下，将转动的机械能转换为电能。
由上述技术方案可见，本发明实施例提供的一种储热剂加热器及太阳能布莱顿储能热发电装置，采用高温强度可维持到1400℃～1600℃的碳化硅陶瓷加工制造储热剂加热器，使太阳能热辐射集聚到碳化硅陶瓷制作的储热剂加热器腔体（螺纹螺旋体）对储热剂进行加热，且碳化硅陶瓷制造工艺较为简单，成本低，可易于实现大型化，从而能够有效提高塔式布莱顿储能热发电装置单台的最大发电功率。同时，采用烧结温度可高达1600℃的陶瓷微球作为储热剂，使得通过陶瓷微球加热工质，能够使工质温度达到使涡轮机运行效率较佳的约900℃，提升塔式布莱顿储能热发电装置运行效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。
图1为本发明实施例塔式布莱顿储能热发电装置单元框图。
图2为本发明实施例塔式布莱顿储能热发电装置结构具体示意图。
图3为本发明实施例中储热剂加热器的螺纹螺旋体结构示意图。
图4为本发明实施例高温颗粒移动床空气加热器结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
现有太阳能BRAYTON热发电装置中是利用集聚的太阳能辐射在加热 器内直接加热空气，必须采用石英玻璃罩，而稍含杂质的石英玻璃罩在1000℃以上，易发生再结晶而变成不透明状态，因而要求加热器必须采用高纯的石英玻璃以避免再结晶现象。而耐压的高纯石英玻璃罩制造困难，成本极高，难于大型化，使太阳能塔式BRAYTON热发电装置单台的最大发电功率不能超过200KW；同时现有在塔式热发电装置储热剂多采用熔盐，由于熔盐的使用温度上限是600℃，因而，不可能使用熔盐加热空气，满足BRAYTON循环要求的温度限。
碳化硅（SiC）陶瓷具有优良的常温和高温性能，例如，较高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数；而且，高温强度可一直维持到1400℃～1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料之一；进一步地，泡沫碳化硅陶瓷的体积表面系数可达500～700以上，在高温状态下的传热系数是金属的两倍，热导性良好。在实际应用中，碳化硅陶瓷制造工艺较为简单，成本低，可易于实现大型化。
进一步地，在石油开采中，广泛使用的以氧化铝为主要成分的陶瓷微球作为含油层压裂时的支撑剂，这种陶瓷微球具有高密度（堆积密度1.8～2.0）、高强度、化学性质稳定、高抗热震性、高热容量（大于1～1.2），且尺寸适合（平均直径小于1毫米）。同时，结构比较致密，具有较好的导热性、机械强度和耐高温性，其烧结温度可高达1600℃。同时，氧化铝陶瓷微球硬度高，而且表面光滑，摩擦系数小，耐磨性能优良，这种陶瓷微球的加工早已产业化，可大量供货，成本低廉。
本发明实施例中，考虑碳化硅陶瓷以及陶瓷微球具有的上述特性，将碳化硅陶瓷以及陶瓷微球应用于太阳能热发电领域。
采用碳化硅陶瓷加工制造储热剂加热器，由于碳化硅陶瓷的高温强度可维持到1400℃～1600℃，能够满足太阳能辐射集聚到碳化硅陶瓷螺纹螺旋体腔体内形成的高达1000-1100℃对储热剂进行加热的要求，且碳化硅陶瓷制造工艺较为简单，成本低，易于实现大型化，从而能够有效提高BRAYTON储能热发电装置单台的最大发电功率。
氧化铝陶瓷微球具有良好的耐高温性，烧结温度可高达1600℃。因而，本发明实施例中，采用氧化铝陶瓷微球作为储热剂，使用温度高达1000℃的氧化铝陶瓷微球加热工质，能够使工质温度达到使涡轮机运行效率较佳的约900℃，提升BRAYTON储能热发电装置运行效率。
以下以太阳能塔式布莱顿储能热发电装置为例进行说明，所应说明的 是，本发明实施例也可以应用于太阳能碟式布莱顿储能热发电装置。
图1为本发明实施例塔式布莱顿储能热发电装置单元框图。参见图1，该塔式布莱顿储能热发电装置包括：储热剂流量调节单元、太阳能收集单元、储热剂加热器、储热剂热交换单元、热发电单元以及储热剂传送单元，其中，储热剂流量调节单元分别与储热剂传送单元以及储热剂加热器相连，储热剂加热器还与太阳能收集单元以及储热剂热交换单元相连，储热剂热交换单元还与热发电单元以及储热剂传送单元相连。
图2为本发明实施例塔式布莱顿储能热发电装置结构具体示意图。参见图2，其中，
1、储热剂调节单元包括：
料斗，包括：第一储热剂提升电梯料斗1～1以及第二储热剂提升电梯料斗1～2；
卸料罐，包括：第一卸料罐2～1以及第二卸料罐2～2；
卸料阀，包括：第一卸料罐2～1底部设置有第一卸料阀3～1，第二卸料罐2～2底部设置有第二卸料阀3～2；
储料罐4以及储热剂流量控制阀5；
分别连接料斗和卸料罐及连接卸料罐和储料罐的连接管道19。
料斗，用于将从储热剂传送单元收集的储热剂经提升电梯运送至卸料罐，该料斗具有自装卸功能；
卸料罐，用于存储从料斗下泄的储热剂；
卸料阀，设置在卸料罐底部，调节从卸料罐下泄至储料罐的储热剂流量；
储料罐，用于存储卸料罐通过卸料阀下泄的储热剂；
储热剂流量控制阀，设置在储料罐底部，根据太阳能收集单元输出的太阳能辐射强度，对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行调节。
实际应用中，料斗以及卸料罐可以分别设置为两个，对称位于塔式布莱顿储能热发电装置太阳塔中心的两侧。
作为可选实施例，第一储热剂提升电梯料斗1～1、第二储热剂提升电梯料斗1～2、第一卸料罐2～1、第二卸料罐2～2以及储料罐4为方形。
这样，本发明实施例中，通过热剂提升电梯料斗1～1以及1～2，将温度为约600℃的储热剂从塔式布莱顿储能热发电装置太阳塔底部提升到顶部， 通过连接管道19分别泄入卸料罐2～1和2～2；卸料罐2～1及2～2中的储热剂，分别通过设置在卸料罐底部（下部）的卸料阀3～1及3～2，流入储料罐4，并通过设置在储料罐4下部的储热剂流量控制阀5，进入储热剂加热器9。
2、储热剂加热器9包括：伞状进料体、螺纹螺旋体以及储热剂收集器，其中，
伞状进料体，位于储热剂加热器上部，接收通过储热剂流量控制阀5下泄的储热剂，下泄至螺纹螺旋体中；
螺纹螺旋体，位于储热剂加热器中部，内腔为由碳化硅陶瓷制作的旋转多头螺纹螺旋体，在本使用实例中螺纹螺旋体的螺纹形状选为矩形，称为多头矩形螺纹螺旋体，其接收伞状进料体下泄的储热剂，根据太阳能收集单元聚集的太阳能辐射强度，调节旋转多头矩形螺纹螺旋体的旋转速度，以调节储热剂下泄速度，使离开螺纹螺旋体的储热剂温度稳定，不因太阳能的辐射强度变化而发生明显变化；并利用太阳能收集单元输出的太阳能辐射，对通过旋转多头矩形螺纹螺旋体下泄的储热剂进行加热，并将加热后的储热剂排入储热剂收集器；
本发明实施例中，旋转多头矩形螺纹螺旋体的螺纹截面形状也可以不限于为矩形。例如，可以是梯形。旋转多头矩形螺纹螺旋体只要是采用耐高温材料制作即可，其中，耐高温材料包括但不限于碳化硅陶瓷。
储热剂收集器，位于储热剂加热器的下部，将螺纹螺旋体下泄的储热剂分两路输出至储热剂热交换单元。
本发明实施例中，储热剂加热器9为一个开口向下且有锥形开口的一个腔体，由太阳能收集单元中的聚光作用得到的太阳能辐射，聚焦在储热剂加热器的腔体内形成温度可达1000～1100℃的高温火球，在约2秒将储热剂快速加热至1000℃。这个开口向下腔体的轴线根据太阳能热发电场的位置纬度，可在-30～30度角的范围内选择。
图3为本发明实施例中储热剂加热器的螺纹螺旋体结构示意图。其中，上图为螺纹螺旋体主剖视结构示意图，下图为螺纹螺旋体俯视结构示意图。
参见图3，螺纹螺旋体包括：旋转多头矩形螺纹螺旋体901、成型陶瓷纤维保温体902以及加热器旋转部分碳钢外壳903，其中，
接收器旋转部分碳钢外壳903位于螺纹螺旋体的外侧；
旋转多头矩形螺纹螺旋体901位于螺纹螺旋体的内侧，设置有用于接收来自伞状进料体的储热剂的多条矩形螺旋滑道；
在旋转多头矩形螺纹螺旋体901与加热器旋转部分碳钢外壳903之间，设置有用于储热剂保温的成型陶瓷纤维保温体902。
本发明实施例中，螺旋滑道可以不仅仅限于矩形，用于储热剂保温的保温体材料包括但不限于陶瓷纤维、岩棉、硅酸铝等。矩形螺旋滑道沿旋转多头矩形螺纹螺旋体901径向均布。矩形螺旋滑道弯向旋转多头矩形螺纹螺旋体901的内壁。实际应用中，矩形螺旋滑道沿旋转多头矩形螺纹螺旋体901轴向方向分为两段，上段与轴向方向平行，下段为与轴向方向成一定的角度，即螺旋角。
本发明实施例中，旋转多头矩形螺纹螺旋体中设置的矩形螺纹的螺旋角和旋转多头矩形螺纹螺旋体的转速是影响陶瓷微球下泄速度和流量的关键因素。设置矩形螺纹滑道的螺旋方向与旋转多头矩形螺纹螺旋体的旋转方向一般相同，当然，也可相反。矩形螺纹的螺旋角大小可根据需要下泄的陶瓷微球流量确定，螺旋角范围为5度至85度。旋转多头矩形螺纹螺旋体的转速除与陶瓷微球下泄流量相关外，还与储热剂接收器的直径成反比，而矩形螺纹的螺旋头数与储热剂加热器的直径相关，储热剂接收器直径越大，需要的头数越多。
设置的矩形螺纹的宽度可以根据陶瓷微球直径和需要下泄的陶瓷微球流量确定。本发明实施例中，设置矩形螺纹滑道的宽度约为陶瓷微球直径的3～20倍。
本发明实施例中，设置有储热剂加热器旋转传动大齿轮6、储热剂加热器旋转传动小齿轮7以及储热剂加热器旋转驱动变速电动机8（上述编号见图2），其中，
旋转多头矩形螺纹螺旋体901由储热剂加热器旋转传动大齿轮6驱动旋转，储热剂加热器旋转传动大齿轮6由储热剂加热器旋转传动小齿轮7驱动旋转，储热剂加热器旋转传动小齿轮7由储热剂加热器旋转驱动变速电动机8驱动旋转。
这样，在太阳能辐射强度较低时，通过储热剂加热器旋转驱动变速电动机8增大旋转多头矩形螺纹螺旋体901的旋转速度，旋转多头矩形螺纹螺旋体901旋转产生的离心力加大，增加了储热剂与旋转多头矩形螺纹螺旋体901中设置的矩形螺旋滑道之间的摩擦力，从而使陶瓷微球沿矩形螺 旋滑道下泄的速度变小，减小了陶瓷微球流量，也就是增加了储热剂在旋转多头矩形螺纹螺旋体901中的时间，使储热剂加热到要求的温度；在太阳能辐射强度较高时，通过储热剂加热器旋转驱动变速电动机8降低旋转多头矩形螺纹螺旋体901的旋转速度，使作用于储热剂的离心力减小，降低了储热剂与旋转多头矩形螺纹螺旋体901中设置的矩形螺旋滑道之间的摩擦力，从而使储热剂沿矩形螺旋滑道下泄的速度变大，提高了储热剂的流量，同时也降低了储热剂在旋转多头矩形螺纹螺旋体901中的时间，使得储热剂被加热的温度不至于太高，保证加热后的储热剂稳定在要求的温度范围内。
本发明实施例中，在储热剂加热器中对储热剂在加热器中的流量和在储热剂加热器内的时间的控制采用分程控制方案：
由于太阳的直射辐照指数（DNI）在一天内是不断变化的，中午最强而上下午较弱，因而，在一天中，太阳能辐射强度也是随时间变化的，因此太阳能收集单元输出的太阳能辐射强度也是随时间变化的。根据太阳能收集单元输出的太阳能辐射强度的变化，通过调节储热剂加热器螺纹螺旋体的转速和储热剂流量调节单元的储料罐出口的储热剂流量控制阀的开度对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行调节。具体实施采用分程控制，用于感测储热剂加热器输出的储热剂温度，确定感测的储热剂温度低于预先设置的温度阈值，触发增大旋转多头矩形螺纹螺旋体的旋转速度，减小储热剂在储热器中的下落速度；在旋转多头螺纹螺旋体的旋转速度达到最大值时，如果感测的储热剂温度还低于预先设置的温度阈值，则触发储热剂流量调节单元的储热剂流量控制阀关小，对流入储热剂加热器中的储热剂流量进行减小调节。反之亦然，通过分程控制单元保证离开储热剂加热器的储热剂温度稳定在设定值。
3、储热剂热交换单元包括：储热剂存储罐、卸料调节阀以及空气加热器，参见图2，其中，
储热剂存储罐包括高温颗粒主储存罐10和高温颗粒小储存罐11；
卸料调节阀包括高温颗粒主储存罐自动卸料阀12以及高温颗粒小储存罐自动卸料阀13；
空气加热器14。
储热剂存储罐，用于存储从储热剂收集器下泄的储热剂；本发明实施 例中，储热剂存储罐的横截面选为方形。
卸料调节阀，设置在储热剂存储罐底部，调节从储热剂存储罐下泄至空气加热器的储热剂流量；
空气加热器，用于将从热发电单元输入的中温压缩空气，通过由储热剂储存罐泄入的温度为1000℃的储热剂加热为900℃高温压缩空气，回输至热发电单元。
这样，本发明实施例中，由储热剂收集器下泄的高温储热剂分两路分别进入高温颗粒主储存罐10和高温颗粒小储存罐11；
高温颗粒小储存罐11的储量较小，其作用是使高温储热剂短时间可以通过设置在高温颗粒小储存罐11下部的高温颗粒小储存罐自动卸料阀13，尽快的下泄进入空气加热器。高温颗粒小储存罐自动卸料阀13一般设置为全开。高温颗粒主储存罐自动卸料阀12一般设置为全关，高温储热剂不断在高温颗粒主储存罐10内储存，高温颗粒主储存罐10内最大可储存连续使用24小时的储热剂，以备在夜晚或太阳能收集单元能力不足时，通过调节高温颗粒主储存罐自动卸料阀12的开度，控制从高温颗粒主储存罐10下泄的高温储热剂的流量，使储热剂下泄至空气加热器中加热中温压缩空气。
图4为本发明实施例高温颗粒移动床空气加热器结构示意图。左图为高温颗粒移动床空气加热器主视图，右图为沿左图A-A方向的剖视图。
参见图4，该高温颗粒移动床空气加热器包括：颗粒进口组件1401、壳体组件1402、第一颗粒分流导向组件1403、空气加热管排组件1404、空气加热管排连接管1405、颗粒流动转向导流樑（壳体内表面）1406、颗粒流动转向导流樑（加热器内部）1407、空气进出口管道组件1408、颗粒下泄流量控制星形旋转阀1409、第二颗粒分流导向组件1410、第三颗粒分流导向组件1411、颗粒出口组件1412、星形旋转阀传动大齿轮1413、星形旋转阀驱动变速电动机1414、星形旋转阀传动小齿轮1415、加热器颗粒卸料气动切换阀1416。
颗粒进口组件1401，设置在高温颗粒移动床空气加热器顶部，有两个入口，用于将通过卸料调节阀下泄的储热剂导入壳体组件1402形成的内腔；
第一颗粒分流导向组件1403，用于对颗粒进口组件1401导入内腔的储热剂进行分流以扩展储热剂占据的空间；
空气加热管排组件1404由多根加热管与其上下连通管组成，加热管内充填有比表面积系数大于500的多孔材料，用于对由热发电单元进入的中 温压缩空气分成细流并与加热管外下泄的高温储热剂逆流换热，快速加热到约900℃；
空气加热管排连接管1405，用于连通空气加热管排组件1404，同时与空气进出口管组件1408联通，经过空气进出口管组件进出中温压缩空气和高温压缩空气。壳体内壁颗粒流动转向导流樑1406，设置于壳体内壁，呈单倾斜形，以翻动下泄至壳体内壁颗粒流动转向导流樑1406上的储热剂；内腔颗粒流动转向导流樑1407，设置于高温颗粒移动床空气加热器内腔中，呈双倾斜形，以翻动下泄至内腔颗粒流动转向导流樑1407上的储热剂；
空气进出口管组件1408用于空气加热管排连接管1405与热发电单元的压缩空气连通；
颗粒下泄流量控制星形旋转阀1409，设置于空气加热管排组件1404的下方，通过星形旋转阀1409旋转速度的变化，调节高温颗粒移动床空气加热器14内的储热剂的流量，以保证空气加热器排出的空气温度达到要求的约900℃并保持稳定；
第二颗粒分流导向组件1410，设置在颗粒下泄流量控制星形旋转阀1409下方，用于对来自颗粒下泄流量控制星形旋转阀1409下泄的储热剂进行分流；
第三颗粒分流导向组件1411，设置在第二颗粒分流导向组件1410下方，用于对来自第二颗粒分流导向组件1410下泄的储热剂进行分流，输出至颗粒出口组件1412；
颗粒出口组件1412，用于将换热后的储热剂输出至储热剂传送单元；
星形旋转阀传动大齿轮1413、星形旋转阀驱动变速电动机1414、星形旋转阀传动小齿轮1415用于驱动颗粒下泄流量控制星形旋转阀1409，并调节其转速。
加热器颗粒卸料气动切换阀1416，设置在第三颗粒分流导向组件1411下方，用于切换流出高温颗粒移动床空气加热器的储热剂流向。
本发明实施例的高温颗粒移动床空气加热器中，空气加热管排连接管1405、空气进出口管组件1408的材料为碳化硅陶瓷管，空气加热管排组件由多根加热管和其上下的方形连通管组成，多个空气加热管排并排竖立。加热管的外壁为碳化硅陶瓷管，碳化硅陶瓷管内充填有比表面积系数可达500以上的泡沫碳化硅陶瓷。本发明实施例中，碳化硅陶瓷管（包括内部的泡沫碳化硅陶瓷）和其上下的方形连通管，采用碳化硅陶瓷管多次烧结而 制成，可长期承受5个大气压的高温压缩空气而不发生泄漏。
壳体内壁颗粒流动转向导流樑1406与内腔颗粒流动转向导流樑1407，用于使高温陶瓷微球在内腔的下泄过程中不断翻动，以提高加热效率。
经过在高温颗粒移动床空气加热器14中的换热，高温陶瓷微球的温度下降到600℃。陶瓷微球包括但不限于氧化铝、莫来石以及石英中的一种或其任意组合的混合体。。
4、储热剂传送单元，参见图2，包括：中温颗粒主卸料罐15、中温颗粒小卸料罐16、中温颗粒主卸料罐自动卸料阀17、中温颗粒小卸料罐自动卸料阀18以及连接管道19。在本使用实例中，中温颗粒主卸料罐15、中温颗粒小卸料罐16的横截面选为方形。
从高温颗粒移动床空气加热器14排出的中温储热剂，一部分中温储热剂通过连接管道19进入中温颗粒主卸料罐15，并通过设置在中温颗粒主卸料罐15下部的中温颗粒主卸料罐自动卸料阀17，自卸进入自装卸中温颗粒提升电梯料斗1～1；另一部分中温储热剂通过另一连接管道19进入中温颗粒小卸料罐16，并通过中温颗粒小卸料罐自动卸料阀18自卸进入自装卸中温颗粒提升电梯料斗1～2，卸料完毕后，自装卸中温颗粒提升电梯料斗1～1和自装卸中温颗粒提升电梯料斗1～2分别被提升至太阳塔的顶部。
5、热发电单元，参见图2，包括：空气过滤器20、涡轮机燃烧室21、回热器22以及涡轮发电机组23。
空气过滤器20，用于对外部输入的空气进行过滤后，输出至涡轮发电机组23，
涡轮机燃烧室21，用于将从储热剂热交换单元输入的高温压缩空气送入涡轮发电机组，高温压缩空气膨胀做功驱动涡轮发电机组转动发电，将做功后的气体排出至回热器22；或，
在塔式布莱顿储能热发电装置开工时或较长时间没有太阳能时，将喷入的燃料进行燃烧，产生高温压力气体膨胀做功驱动涡轮发电机组转动发电，将做功后的气体排出至回热器22；
回热器22，用于将来自涡轮发电机组23做功后的气体与压缩空气进行热交换，提升温度后，将压缩气体输出至储热剂热交换单元，同时降低涡轮机的排气温度，以提高涡轮机组的热效率，同时做功后的气体作为废气 排出。
涡轮发电机组23，用于对输入的空气进行压缩后，将压缩空气输出至回热器22；在涡轮机燃烧室21输出的气体的膨胀做功驱动下，将转动的机械能转换为电能，并将做功后的气体输出至回热器22；
涡轮发电机组23包括：涡轮机2301、压缩机2302、齿轮减速箱2303以及交流发电机2304，其中，
涡轮机2301，用于在高温压缩空气的气体膨胀做功驱动下，进行转动以进行热能与机械能的转换，并将做功后的气体输出至回热器22；
压缩机2302，用于在单级径向涡轮机2301转动的驱动下旋转，对来自空气过滤器20的空气进行压缩，将压缩空气输出至回热器22；
齿轮减速箱2303，经单级径向涡轮机2301转动的驱动，使齿轮减速箱2303的输出轴的转速降低到交流发电机2304要求的同步转速，驱动交流发电2304发电；
交流发电机2304，用于在齿轮减速箱2303的驱动下，将转动的机械能转换为电能。
这样，本发明实施例的热发电单元，外部空气通过空气过滤器20的过滤后，进入压缩机2302，在压缩机2302中，空气被压缩到绝对压力4～4.5个大气压后进入回热器22，回热器22实质是一个高比表面积系数的板式换热器，内设置压缩空气流道与涡轮机排出的废气流道层叠交互在一起，两股气流即有各自独立的流道互不混合，又有巨大的换热面积进行两股气体之间的热交换。涡轮机2301排出的做功后的废气温度约为600℃，进行换热后，将压缩空气升温到约500℃，进入高温颗粒移动床空气加热器14，而排出的废气温度降至约250℃
500℃的压缩空气在高温颗粒移动床空气加热器14中加热后，从高温颗粒移动床空气加热器14排出的压缩空气约为900℃，900℃的压缩空气通过涡轮机燃烧室21，进入涡轮机膨胀做功驱动涡轮机2301旋转，涡轮机2301的旋转驱动压缩机2302和齿轮减速箱2303旋转，齿轮减速箱2303减速后，驱动交流发电机2304旋转，从而实现热发电。
实际应用中，涡轮机燃烧室还能够在塔式布莱顿储能热发电装置开工时或较长时间没有太阳能时，通过向其中喷入燃料（天然气或燃油）进行燃烧，产生高温压力气体驱动涡轮发电机组发电，彻底解决太阳能发电不能连续和稳定发电的使用难题。
上述涡轮发电机组，在本实例中，为了减低制造成本和简化系统，使用单级径向涡轮机和单级离心压缩机。
另外，所应说明的是，由于整个太阳能布莱顿储能热发电装置处于约500℃～1000℃的较高温度状态，应对太阳能布莱顿储能热发电装置中的设备和管道需进行良好的保温，尽量减少散热损失，以提高太阳能布莱顿储能热发电装置的运行效率。
6、总体来说，本发明实施例的太阳能塔式布莱顿储能热发电装置具有如下有益技术效果：
一、采用腔体式的储热剂加热器，能够使聚光后增强的太阳辐射能直接加热储热剂；在储热剂加热器内采用旋转多头矩形螺纹螺旋体，通过旋转速度控制储热剂下泄流量，从而在DNI随时变化的条件下，能够有效地保证储热剂颗粒达到均衡的温度，提高了储热剂加热器的加热效率。对于相同的集热功率，相比于储热剂加热器，本发明实施例的储热剂加热器不仅体积小，且能够使单个储热剂加热器的功率满足兆瓦级太阳能热发电装置的需要，可有效增大塔式BRAYTON储能热发电装置单台的最大发电功率。进一步地，由于不必使用难以制造和价格昂贵的石英玻璃罩，而是采用成本低和原料充裕的烧结碳化硅陶瓷制作储热剂加热器的腔体，其耐温性、耐磨性、耐热震性能极佳，不仅大幅降低了制造成本，同时也大幅提高了装置运行的可靠性和寿命。
二、采用以充填碳化硅泡沫陶瓷的碳化硅陶瓷管作为高温颗粒移动床空气加热器的加热元件（加热管排）。由于碳化硅在高温状态下的传热系数是金属的两倍以上且泡沫碳化硅的比表面积巨大，大幅提高了空气加热的效率和速度，且烧结碳化硅具有良好的耐热性和耐磨性以及很小的热膨胀系数，与其它空气加热设备相比，可大幅提高可靠性且使成本下降。由于在加热管内充填碳化硅泡沫陶瓷，大幅增加了加热管的传热面积，就可采用较大直径的碳化硅管和较短的加热元件，因此减小了高温颗粒移动床空气加热器的长度和体积。
三、采用改进性能的支撑剂（氧化铝陶瓷微球）做储热剂，陶瓷微球的最高使用温度允许达到1600℃，大幅超过其做储能剂的使用温度1000℃。因而，陶瓷微球不但储热能力超过现有作为储热剂的熔盐，而且没有凝固和腐蚀的危险，极大地方便了使用。进一步地，陶瓷微球在国内已实现产 业化，来源广、成本低，可以大量采用而无任何危险。
四、由于采用了高温颗粒主储存罐储存储热剂，可连续供热24小时，可以使塔式BRAYTON储能热发电装置实现连续发电，不受太阳能因天气条件变化和夜间没有太阳能的限制。即使连续多日没有太阳能使用，也无需改变塔式BRAYTON储能热发电装置的结构，可使用油和天然气作为能源进行常规发电，实现直接太阳能、太阳能储能和化石能源三者交替或组合使用，达到连续不停发电的目的。
显然，本领域技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的技术和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变型在内。