太阳能热发电用固体球流吸热器 【技术领域】
本发明涉及太阳能热发电用的吸热器，特别涉及利用流动的固体球作为吸热体的固体球流吸热器。
背景技术
太阳能塔式热发电装置基本原理是利用众多的定日镜，将太阳辐射反射到置于塔上的太阳能接收器上，借助加热工质产生过热蒸汽或高温空气，驱动发电机组，产生电能。高温太阳能吸热器是塔式热发电系统的核心部件。国外围绕此项技术进行了诸多研究，主要集中在美国、西班牙、德国、以色列、澳大利亚、韩国等。其中应用较多的是采用气体或液体等流体介质作光热转换的吸热器。一般是采用固体材料表面吸收太阳辐射，然后被流过固体内或外表面的流体传热介质将热量带走，完成将太阳能转化为热能的任务。
申请号200810115463.7的中国发明专利公开了一种太阳能热发电站用承压式空气吸热器发明专利，利用碳化硅致密陶瓷和泡沫陶瓷作为承压结构和吸热体，实现承压及吸热，该发明强调通过气体流动来换热，但由于气体对流换热系数较低，使得吸热器内空气的压力损失较大。申请号200710099040.6的中国发明专利“用于太阳能塔式热发电的流化床高温吸热器及其“吸热-储热”双流化床系统”，该专利是利用悬浮在流化床中的微小固体颗粒来接触和吸收聚集的太阳辐射能。它的特点是换热能力强，但不足之处是高温流化床的容器比较复杂，需要承压运行，并带有高温气密性要求的透光窗口。另外固体换热介质在高温条件下高速运动带来的磨损将提高维护成本。申请号200810101597.X的中国发明专利公开了一种被动式熔融盐吸热器。它是采用熔融盐介质的换热装置，其接收太阳辐射能的表面是金属，为了增加吸收率，金属表面涂有太阳能选择性吸收涂层。该种吸热器与其它的管板式固体表面吸热器存在相同的技术限制，对非均匀、非稳定的热流边界条件适应性不佳。美国专利4394859公开了一种以空气为传热流体的柱状金属管式吸热器，该吸热器对金属要求较高，系统复杂，成本高，而且可承受的能流密度较低，难以获得高温度的空气。美国专利4777934公布了采用带有粒子的压缩空气为传热介质的太阳能吸热器，空气可被加热至700℃，但无法应用到更高的温度。美国专利US6668555B1公布了基于吸热器的太阳能发电系统，采用热管式太阳能吸热器，其传热工质为空气，虽然传热效率较高，但应用于高温需要采用金属钠等物质作为热管内的相变材料，系统安全性要求苛刻。中国专利CN2758657提出了腔式太阳能吸收器，分为内外两个腔，内腔体临近石英玻璃窗表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并且采用不同的物质用于传热和蓄热，可用于高温场合，但其结构较为复杂。中国专利CN2871408提出了一种空腔式太阳能吸收器，采用了针管冷却玻璃窗、管状吸热体，管状吸热体的换热表面积小，传热效率不高，并且采用不同材料作为吸热体与蓄热体，结构复杂。中国专利200710099039.3提出了将碳化硅泡沫陶瓷用于太阳能塔式电站空气吸热器，虽然充分利用碳化硅泡沫陶瓷高效吸热、传热的特性，但无法在不使用密封玻璃窗情况下获得高温、高压空气。
【发明内容】
本发明所要解决的技术问题是：
(1)解决传统管式吸热器许用能流密度不高的问题；(2)解决容积式吸热器材料高温性能和吸热结构高温密封问题。(3)克服热流密度不均匀而导致吸热表面烧蚀和热应力破坏等问题；(4)解决由于入射辐射能流激烈变化引起的热震问题，消除忽然云遮时运行工况不稳定的现象。
本发明提出一种固体球流吸热器来解决上述问题。固体球流吸热器包括固体球吸热装置、置于所述吸热装置内自上而下流动的吸热固体球、置于固体球吸热装置上部的低温储球罐、置于固体球吸热装置下部的高温储球罐、安装在低温储球罐上部和下部，以及高温储球罐上部和下部的固体球控制阀门。低温储球罐内存储的低温固体球在流入固体球吸热装置内吸收太阳辐射能后温度逐渐升高变为吸热固体球，吸热固体球温度升高后，从固体球吸热装置流入高温储球罐作为高温固体球存储。固体球吸热装置面向辐射能流投入侧为辐射能流接收窗口，依靠重力作用从低温储球罐流入固体球吸热装置内的吸热固体球直接吸收太阳辐射能，固体球吸热装置非接收辐射能流部分包覆有保温层以减少散热损失。
吸热固体球由金属或非金属制成，也可由金属或非金属复合而成，其形状可为规则球形、椭球形或其他形状，其直径范围为1-20mm，使用过程中可采用单一尺寸也可采用多个尺寸。为了提高传热效率，吸热固体球应采用具有较高的导热系数的材料，吸热固体球可以是实心或者空心，也可以采用内部包覆其他种类材料的方式组成，吸热固体球也可以具有磁性，通过磁场的作用来控制球的流动速度。吸热固体球的球体表面为黑色或涂有太阳能选择性吸收涂层。
低温储球罐用于储存低温固体球，低温储球罐带有低温控制阀门。高温储球罐用于存储经太阳辐射能加热后的高温固体球，高温储球罐带有可耐受较高温度的控制阀门。固体球吸热装置呈长扁盒形状，固体球吸热装置面向辐射能流投入侧为辐射能流接收窗口，依靠重力作用从低温储球罐流入固体球吸热装置内的吸热固体球直接吸收太阳辐射能，固体球吸热装置非接收辐射能部分包覆有保温层，保温层既能减少热损失，又可发挥密封作用，防止其内的热空气流入环境中。
本发明固体球流吸热器工作过程如下：
经聚光设备收集的太阳辐射能投射到固体球吸热装置的辐射能流接收窗口上，部分太阳辐射能被辐射能流接收窗口的非透光结构吸收和反射，部分太阳辐射能透过辐射能流接收窗口被流动的吸热固体球表面吸收，太阳辐射能转化为吸热固体球的热能，吸收了太阳辐射能的吸热固体球表面温度升高，热量通过热传导作用向吸热固体球内部传递。由于吸热固体球间留有空隙，太阳辐射能在吸热固体球空隙间传输，可被多层吸热固体球吸收。相互接触、具有不同表面温度的吸热固体球间通过热传导过程进行热量交换。吸热后温度升高的吸热固体球被收集存储于高温储球罐内，完成吸热过程。
本发明低温储球罐内地低温固体球在重力的作用可流入固体球吸热装置内，通过控制低温储球罐底部阀门的开度和低温固体球的尺寸，可保证固体球吸热装置内的吸热固体球始终保持从上至下流动的状态，每个吸热固体球均流经不同辐射能流密度分布的区域，避免了在某些区域被超高辐射能流长时间加热的风险，有效缓解了入射辐射能流分布不均带来的热应力破坏，提高了吸热器的安全性。所述固体球流吸热器由于采用吸热固体球吸热，对吸热器内部的高温密封没有特殊要求，所述固体球流吸热器可在常压下运行。
本发明根据选用的吸热固体球材料耐温性能，对于高聚光辐射能流密度条件下可获得温度范围为800℃-2000℃的高温固体球可方便用于储热，也可作为高品质热源直接加热空气或水蒸气发电使用。
【附图说明】
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明；
图1固体球流吸热器示意图；
图2a格栅控光式固体球吸热装置结构示意图；
图2b格栅控光式固体球吸热装置辐射能流接收窗口左视图；
图3a网式控光固体球吸热装置结构示意图；
图3b网式控光固体球吸热装置辐射能流接收窗口左视图；
图4a玻璃窗式固体球吸热装置结构示意图；
图4b玻璃窗式固体球吸热装置辐射能流接收窗口左视图；
图中：1 固体球吸热装置、2 吸热固体球、3 辐射能流、4 辐射能流接收窗口、5 低温储球罐、6 低温固体球、7 低温储球罐入口阀门、8 低温储球罐出口阀门、9 高温储球罐、10高温固体球、11 高温储球罐入口阀门、12 高温储球罐出口阀门、13 保温层、14 控光格栅、15 格栅透光区、16 控光网、17 控光网透光区、18 玻璃窗。
【具体实施方式】
图1所示为本发明固体球流吸热器示意图。如图1所示，固体球流吸热器包括固体球吸热装置1、置于固体球吸热装置1内自上而下流动的吸热固体球2、辐射能流接收窗口4、置于固体球吸热装置1上部的低温储球罐5、低温储球罐5内存储的低温固体球6、置于固体球吸热装置1下部的高温储球罐9、低温储球罐9内存储的高温固体球10、低温储球罐5上部与下部及高温储球罐9的上部与下部的固体球控制阀门。固体球吸热装置1面向辐射能流3投入侧为辐射能流接收窗口4。低温储球罐5位于固体球吸热装置1上部，其内装有低温固体球6，低温固体球6从低温储球罐5的流入与流出分别由低温储球罐入口阀7和低温储球罐出口阀8控制。低温固体球6靠重力作用可流入固体球吸热装置1内，高温储球罐9位于固体球吸热装置1下部，固体球吸热装置1内的吸热固体球2在吸收足够能量后可依靠重力作用流入高温储球罐9内，高温储球罐9用于盛装高温固体球10，高温固体球10从高温储球罐9的流入与流出分别由高温储球罐入口阀门11和高温储球罐出口阀门12控制。
运行时，低温储球罐5内已充满足够数量的低温固体球6。工作时，开启低温储球罐出口阀门8和高温储球罐入口阀门11，关闭低温储球罐入口阀门7和高温储球罐出口阀门12，低温固体球6靠重力作用流入固体球吸热装置1内变为吸热固体球2，与此同时，经聚集的辐射能流3经辐射能流接收窗口4投射到固体球吸热装置1内，吸热固体球2被投入的辐射能流3加热，温度升高，通过控制吸热固体球2在固体球吸热装置1的流动轨迹与流动时间，吸热固体球2吸收足够的辐射能成为高温固体球10，高温固体球10靠重力流入高温储球罐9内储存。此吸热过程可以间歇运行或连续运行。
本发明固体球吸热装置1有格栅控光式、网式控光式和玻璃窗式三种，图2、3、4分别为这三种固体球吸热装置1的结构示意图。
图2a为本发明的格栅控光式固体球吸热装置结构示意图，图2b为格栅控光式固体球吸热装置辐射能流接收窗口左视图。如图2a、b所示，固体球吸热装置1外围包覆有保温层13，保温层13用于减少热量向周围环境的散失。辐射能流接收窗口4由控光格栅14和格栅透光区15组成，控光格栅14由多根平行排列的格栅条组成，格栅条间互不接触，多根格栅条间的空隙构成格栅透光区15。控光格栅14可以由金属或者非金属制成，可耐受投入的辐射能流3的长期加热，控光格栅14的相邻格栅条间的空隙大小由吸热固体球2的最小尺寸决定，要求吸热固体球2不会从格栅透光区15中漏出。
工作时，经聚集的辐射能流3投射到辐射能流接收窗口4，部分辐射能流3被控光格栅14吸收和反射，部分辐射能流3经格栅透光区15投射到固体球吸热装置1内的吸热固体球2，吸热固体球2吸收热量后温度逐渐升高。
图3a为本发明的网式控光式固体球吸热装置结构示意图，图3b为网式控光式固体球吸热装置辐射能流接收窗口左视图。如图3a、b所示，固体球吸热装置1外围包覆有保温层13，保温层13用于减少热量向周围环境的散失。辐射能流接收窗口4由控光网16和控光网透光区17组成，控光网16各控光网骨架间的空隙构成控光网透光区17。控光网16可以由金属或者非金属制成，可耐受投入的辐射能流3的长期加热，控光网16的网格大小由吸热固体球2的最小尺寸决定，要求吸热固体球2不会从控光网透光区17中漏出。
工作时，经聚集的辐射能流3投射到辐射能流接收窗口4，部分辐射能流3被控光网16吸收和反射，部分辐射能流3经控光网透光区17投射到固体球吸热装置1内的吸热固体球2，吸热固体球2吸收热量后温度逐渐升高。
图4a为本发明的玻璃窗式固体球吸热装置结构示意图，图4b为玻璃窗式固体球吸热装置辐射能流接收窗口左视图。如图4a、b所示，固体球吸热装置1外围包覆有保温层13，保温层13用于减少热量向周围环境的散失。辐射能流接收窗口4由玻璃窗18构成，可由一块玻璃或者多块玻璃拼装而成，镶嵌于固体球吸热装置1的辐射能流3投入侧。玻璃窗18具有较高的透光率并可耐受投入的辐射能流3的长期加热，同时对固体球吸热装置1具有密封功能。
工作时，经聚集的辐射能流3投射到辐射能流接收窗口4，辐射能流3的少部分被玻璃窗18吸收和反射，大部分辐射能流3透过玻璃窗18投射到固体球吸热装置1内的吸热固体球2上，吸热固体球2吸收热量后温度逐渐升高。