專利名稱：用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的固體粒子空氣吸熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電用空氣吸熱器。
背景技術(shù)：
經(jīng)濟(jì)高度的發(fā)展離不開能源支持，隨著人們對(duì)自然資源的過(guò)度利用，化石能源嚴(yán)重短缺甚至已瀕臨枯竭；大量使用引發(fā)的環(huán)境惡化等問題日益嚴(yán)重。因此，開發(fā)太陽(yáng)能對(duì)于緩解能源短缺，保護(hù)環(huán)境具有重大意義。聚光式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)(CSP)是將太陽(yáng)能加以會(huì)聚加熱傳熱流體，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為傳熱流體的熱能，通過(guò)水蒸汽等熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行發(fā)電。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)由于可以實(shí)現(xiàn)高參數(shù)和系統(tǒng)的高效率，近年來(lái)得到了大力發(fā)展。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站通過(guò)安裝在吸熱塔周圍的定日鏡群會(huì)聚太陽(yáng)能到放置于吸熱塔頂部的吸熱器內(nèi)加熱傳熱流體，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為傳熱流體的熱能，并進(jìn)一步加熱發(fā)電工質(zhì)如水蒸汽等通過(guò)熱力循環(huán)過(guò)程產(chǎn) 生電能。吸熱器是將高倍聚集的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為傳熱流體熱能的裝置，是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的核心裝置。吸熱器的熱性能直接影響太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的熱效率，吸熱器出口傳熱流體為溫度直接影響熱力循環(huán)的效率，因此，在保證吸熱器熱效率的前提下盡可能地提高傳熱流體溫度是吸熱器的關(guān)鍵。以空氣為傳熱流體的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)近些年得到了長(zhǎng)足發(fā)展，因?yàn)榭諝庠?600°C以下使用無(wú)相變過(guò)程，易于實(shí)現(xiàn)高溫。目前得以裝備電站和研究的多是容積式吸熱器，采用金屬密網(wǎng)、蜂窩陶瓷和泡沫陶瓷等為吸熱體，使用過(guò)程中吸熱體保持不動(dòng)，由于投入的太陽(yáng)能聚光輻射能流密度較高且分布不均勻，這種被動(dòng)式吸熱器存在吸熱體材料高溫氧化和熱應(yīng)力破壞的不足，限制了其獲得更高溫度空氣以提高系統(tǒng)發(fā)電效率。以流動(dòng)的固體粒子為吸熱體的粒子式空氣吸熱器近十年來(lái)得到了廣泛關(guān)注。美國(guó)專利US4777934公布了采用帶有粒子以壓縮空氣為傳熱流體的吸熱器，其溫度可被加熱至7000C，該吸熱器無(wú)法應(yīng)用到更高的溫度，且其中間過(guò)程熱量損失較大。美國(guó)專利US4499893公布的固體粒子吸熱器最高工作溫度為800°C，由于采用復(fù)雜結(jié)構(gòu)以提高吸熱器效率，可靠性不高。美國(guó)專利US3908632公布了一種固體粒子吸熱器系統(tǒng)，被加熱的固體粒子_空氣混合物經(jīng)固體粒子分離、換熱后固體粒子和空氣循環(huán)利用，氣固混合物溫度在400-750°C，但吸熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率不高。中國(guó)專利CN102135334A公布了基于石英管束的固體粒子空氣吸熱器，由于采用石英管結(jié)構(gòu)，石英管束間流量分配和受熱不均等問題難以解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有太陽(yáng)能熱發(fā)電站中空氣吸熱器的缺點(diǎn)由于太陽(yáng)能聚光能流密度高并具有不均勻性和不穩(wěn)定性，造成吸熱體材料熱應(yīng)力破壞、空氣流動(dòng)穩(wěn)定性差以及可靠性不高。提供一種旋轉(zhuǎn)攪拌式固體粒子空氣吸熱器。本發(fā)明采用石英玻璃為透光窗口，固體粒子為吸熱體，耐高溫材料如陶瓷或耐熱合金鋼為攪拌葉片，利用石英玻璃的耐高溫和高透光率特性實(shí)現(xiàn)透光，利用固體粒子的耐高溫和高輻射吸收率特性實(shí)現(xiàn)高效吸熱，通過(guò)攪拌固體粒子實(shí)現(xiàn)空氣與固體粒子間高效換熱。固體粒子受攪拌葉片的攪拌，在吸熱器內(nèi)保持運(yùn)動(dòng)，使固體粒子間充分換熱，避免了固體粒子吸熱器內(nèi)局部區(qū)域粒子群的過(guò)熱結(jié)焦，有效消除了通常容積式吸熱器內(nèi)吸熱體材料局部“熱斑”影響，可提高吸熱器的安全性，延長(zhǎng)使用壽命。流動(dòng)的固體粒子具有儲(chǔ)熱功能，可以在一定時(shí)間內(nèi)避免空氣溫度的較大波動(dòng)。本發(fā)明可根據(jù)使用要求建造較大容量的空氣吸熱器，可用于常壓和高壓系統(tǒng)。選擇碳化硅、氮化硅、石墨、炭黑等耐高溫材料作為固體粒子可在1200°C及更高溫度范圍內(nèi)使用，確保了本發(fā)明的空氣吸熱器可用于較高的溫度。碳化硅、石墨等固體粒子的導(dǎo)熱系數(shù)在1200°C時(shí)大于10W/(mK)，而且具有很高的輻射吸收率，通過(guò)設(shè)計(jì)粒子的形狀和大小，可以最大限度吸收投入的太陽(yáng)輻射能。固體粒子群具有較大的比表面積，確保了換熱過(guò)程中空氣與吸熱體間可獲得較高的傳熱效率。本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)攪拌式固體粒子空氣吸熱器，以流動(dòng)的固體粒子為吸熱介質(zhì)，空氣為傳熱流體。所述的吸熱器由吸熱器腔體、攪拌葉片、透光窗口、進(jìn)料口、空氣出口、主軸、固體粒子、出料口、空氣進(jìn)口和空氣出口等組成。透光窗口位于吸熱器面對(duì)經(jīng)聚光的輻射能流投射的一側(cè)，用于將聚光輻射能流投射至吸熱器內(nèi)部并防止固體粒子及空氣流出吸熱器腔 體外。吸熱器未工作時(shí)固體粒子自由堆積在吸熱器腔體內(nèi)部；吸熱器工作時(shí)，固體粒子在吸熱器腔體內(nèi)部保持流動(dòng)。主軸位于吸熱器腔體的中心軸線上，用于帶動(dòng)攪拌葉片旋轉(zhuǎn)。攪拌葉片安裝在主軸上，攪拌葉片之間的安裝角度為360度除以攪拌葉片數(shù)量，攪拌葉片與主軸剛性連接；攪拌葉片在其長(zhǎng)度方向開有若干個(gè)孔，固體粒子可以在攪拌葉片旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中從攪拌葉片的這些孔中自由下落?？諝膺M(jìn)口位于吸熱器腔體底部或側(cè)面?？諝獬隹谖挥谖鼰崞髑惑w頂部。進(jìn)料口位于吸熱器腔體頂部或側(cè)面。出料口位于吸熱器腔體底部。吸熱器工作在高溫環(huán)境，吸熱器除透光窗口外的部分均包覆有耐高溫保溫層，以減少熱量的散失。本發(fā)明的工作過(guò)程如下經(jīng)聚光設(shè)備收集的聚光輻射能流投射至透光窗口表面，一部分輻射能流被透光窗口面向聚光輻射能流投入側(cè)的表面反射，一部分聚光輻射能流被透光窗口吸收，一部分聚光輻射能流透過(guò)透光窗口投射至吸熱器內(nèi)，這部分投射的聚光輻射能流被吸熱器內(nèi)的攪拌葉片、主軸和流動(dòng)的固體粒子反射和吸收。吸熱器工作時(shí)主軸在電機(jī)的帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主軸上的攪拌葉片隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的攪拌葉片將部分固體粒子從吸熱器的底部掀起，固體粒子隨攪拌葉片運(yùn)動(dòng)至一定高度后從攪拌葉片上的孔中落下，使這部分固體粒子充分吸收自透光窗口投入的聚光輻射能流。下落的固體粒子落到吸熱器底部后再次被攪拌葉片掀起。攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)使得吸熱器內(nèi)的固體粒子被充分?jǐn)嚢?，固體粒子間發(fā)生頻繁的碰撞可以充分交換熱量，同時(shí)固體粒子與吸熱器的內(nèi)壁面間也發(fā)生頻繁的碰撞，有利于吸熱器內(nèi)的溫度均勻。冷空氣從吸熱器的空氣進(jìn)口進(jìn)入吸熱器腔體內(nèi)，在空氣壓力的作用下，堆積于吸熱器腔體底部的固體粒子被吹起，流動(dòng)的空氣同時(shí)與吸熱器腔體內(nèi)被加熱的固體粒子進(jìn)行對(duì)流換熱。攪拌葉片的攪拌作用、流入空氣的浮升力和固體粒子的重力作用使得吸熱器腔體內(nèi)的固體粒子間充分碰撞并與空氣充分接觸，實(shí)現(xiàn)冷空氣與固體粒子間的高效對(duì)流換熱變?yōu)闊峥諝?，熱空氣從空氣出口流出。由于固體粒子尺寸較小，使得空氣與固體粒子間的傳熱面積較大，傳熱效率較高。選擇固體粒子直徑在O. Ol-IOmm之間，減小粒子直徑可以增加空氣與固體粒子的換熱面積，提高空氣與固體粒子間的傳熱效率。由于攪拌葉片、主軸、透光窗口一直受聚光輻射能流的加熱，冷空氣進(jìn)入吸熱器內(nèi)后與攪拌葉片、主軸、透光窗口間也發(fā)生對(duì)流換熱，起到了對(duì)攪拌葉片、主軸、透光窗口的冷卻作用，可在一定程度避免這些部件的過(guò)熱破壞。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，可按需求設(shè)計(jì)固體粒子的粒徑大小，加之調(diào)整空氣的流動(dòng)速度和攪拌葉片轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)對(duì)投入的聚光輻射能流的高效吸收和高效加熱空氣。本發(fā)明的吸熱器可以獲得700°c -1600°c、常壓或IMPa以上壓力的高溫空氣，固體粒子、主軸和攪拌葉片等具有儲(chǔ)熱功能，可以在一定時(shí)間間隔內(nèi)控制空氣溫度輸出參數(shù)的波動(dòng)。


圖I本發(fā)明旋轉(zhuǎn)攪拌式固體粒子空氣吸熱器示意圖；圖2本發(fā)明旋轉(zhuǎn)攪拌式固體粒子空氣吸熱器左視圖；圖3本發(fā)明旋轉(zhuǎn)攪拌式固體粒子空氣吸熱器攪拌葉片示意圖； 圖中1吸熱器腔體、2攪拌葉片、3透光窗口、4進(jìn)料口、5熱空氣、6空氣出口、7主軸、8電機(jī)、9固體粒子、10出料口、11風(fēng)機(jī)、12冷空氣、13空氣進(jìn)口、14聚光輻射能流、15孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。圖I所示為本發(fā)明旋轉(zhuǎn)攪拌式固體粒子空氣吸熱器。該吸熱器由吸熱器腔體I、攪拌葉片2、透光窗口 3、進(jìn)料口 4、空氣出口 6、主軸7、固體粒子9、出料口 10，以及空氣進(jìn)口 13組成。吸熱器腔體I為圓柱形或其它形狀，由耐高溫材料制成。透光窗口 3為吸熱器腔體I的一部分，位于吸熱器腔體I面對(duì)聚光輻射能流14投射的一側(cè)。透光窗口 3通常由石英玻璃制成，用于將聚光輻射能流14投射至吸熱器內(nèi)部。透光窗口 3與吸熱器腔體I連接處密封，以保證吸熱器腔體I可以承受一定的壓力，并防止固體粒子9及空氣從吸熱器腔體I中流出。透光窗口 3的形狀、大小和厚度受投入的聚光輻射能流14的特性決定，其原則是使投入至透光窗口 3上的聚光輻射能流14均盡可能多地被固體粒子9吸收。固體粒子9在吸熱器未工作時(shí)自由堆積在吸熱器腔體I的底部。固體粒子9具有較高的輻射吸收率，可在1200°C以上溫度長(zhǎng)期使用工作，固體粒子9為球形、橢球形或其他形狀，其大小可以相同也可以不同，其形狀、直徑和密度等參數(shù)由流入吸熱器腔體I內(nèi)的空氣速度分布，以及聚光輻射能流密度的大小和在透光窗口 3上的分布決定，其原則是實(shí)現(xiàn)固體粒子9與空氣充分換熱并保持有規(guī)律的流動(dòng)狀態(tài)，固體粒子的材料可以是碳化硅陶瓷、石墨、氮化硅陶瓷等。主軸7由耐高溫材料制成，位于吸熱器腔體I的中心軸線上，兩端與吸熱器腔體I的連接處密封。攪拌葉片2安裝在主軸7上，攪拌葉片2之間的安裝角度為360度除以攪拌葉片2的數(shù)量，攪拌葉片2與主軸7剛性連接；吸熱器工作時(shí)，攪拌葉片2隨主軸7以相同轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。攪拌葉片2在其長(zhǎng)度方向開有孔15，孔15可以是在攪拌葉片2上預(yù)先加工而成的通透縫隙，孔15的截面幾何形狀可以是條形、圓形或其他形狀，孔15的截面積大于固體粒子9的最大截面積，設(shè)計(jì)原則是使經(jīng)攪拌葉片2旋轉(zhuǎn)掀起的固體粒子9可以順利從孔15中自由下落。空氣進(jìn)口 13位于吸熱器腔體I的底部，與吸熱器腔體I連接處密封，其形狀可以為圓形、方形或其它形狀，其設(shè)計(jì)原則是保證冷空氣12能順利進(jìn)入吸熱器腔體I內(nèi)?？諝獬隹?6位于吸熱器腔體I的頂部，與吸熱器腔體I連接處密封，其形狀可以為圓形、方形或其它形狀，其設(shè)計(jì)原則是保證熱空氣5能順利流出吸熱器腔體I外。進(jìn)料口 4位于吸熱器腔體I的頂部或側(cè)面，與吸熱器腔體I連接處密封，是固體粒子9進(jìn)入吸熱器腔體I的入口，吸熱器工作時(shí)進(jìn)料口 4保持密閉，進(jìn)料口 4可以是圓形、方形或其他形狀，其設(shè)計(jì)原則是保證固體粒子9能順利進(jìn)入吸熱器腔體I內(nèi)。出料口 10位于吸熱器腔體I的底部，與吸熱器腔體I連接處密封，是固體粒子9流出吸熱器腔體I的出口，吸熱器工作時(shí)出料口10保持密閉，出料口 10可以是圓形、方形或其他形狀，其設(shè)計(jì)原則是保證固體粒子9能順利地從吸熱器腔體I中流出。風(fēng)機(jī)11通過(guò)管道與空氣進(jìn)口 13連接，作用是向空氣進(jìn)口 13通入冷空氣，其位置可靈活放置。電機(jī)8通過(guò)齒輪或鏈條與主軸7的一端或兩端連接，用于驅(qū)動(dòng)主軸7旋轉(zhuǎn)。圖3所示為攪拌葉片2的形狀。攪拌葉片2由耐高溫材料制成，攪拌葉片2上開有若干個(gè)孔15，孔15的截面大小需保證固體粒子9能順利從孔15中通過(guò)，攪拌葉片2的大小、數(shù)量、形狀以及孔15的形狀、數(shù)量和分布由吸熱器的規(guī)格和制作工藝決定，其原則是保證固體粒子9充分均勻受熱，提高吸熱器效率。攪拌葉片2的大小由吸熱器腔體I的大小 決定，攪拌葉片2的數(shù)量由吸熱器的設(shè)計(jì)功率決定，攪拌葉片2的形狀可以為平面、曲面或其它形狀；孔15的形狀可以為條形、圓形或其他形狀，其數(shù)量和分布需滿足以下條件攪拌葉片2隨主軸7旋轉(zhuǎn)時(shí)，攪拌葉片2上的絕大部分固體粒子9能通過(guò)孔15自由落下。吸熱器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)11不斷通過(guò)空氣進(jìn)口 13向吸熱器腔體I內(nèi)輸送冷空氣12，電機(jī)8以一定轉(zhuǎn)速帶動(dòng)主軸7和攪拌葉片2旋轉(zhuǎn)，攪拌葉片2對(duì)固體粒子9進(jìn)行攪拌，經(jīng)太陽(yáng)能聚光場(chǎng)提供的聚光輻射能流14投射至透光窗口 3的外表面，聚光輻射能流14的絕大部分輻射能透過(guò)透光窗口 3至吸熱器內(nèi)隨攪拌葉片2和空氣流動(dòng)的固體粒子9上。攪拌葉片2旋轉(zhuǎn)時(shí)，部分固體粒子9隨攪拌葉片2 —同升高，當(dāng)攪拌葉片2旋轉(zhuǎn)到一定角度時(shí)，固體粒子9從攪拌葉片2上的孔15滑落，形成由多個(gè)粒子組成的“粒子簾”，“粒子簾”充分暴露在經(jīng)透光窗口 3透過(guò)的聚光輻射能流14下，有利于輻射能量的充分吸收和固體粒子9均勻被加熱，如圖2所示。由于受攪拌葉片2的帶動(dòng)、空氣的浮升力、固體粒子9自身重力及固體粒子9的碰撞力等作用，固體粒子9在吸熱器腔體I內(nèi)始終保持運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。固體粒子9具有較高的吸收率，聚光輻射能流14被固體粒子9吸收并轉(zhuǎn)化為固體粒子9的熱能，少部分聚光輻射能流被透光窗口 3、攪拌葉片2、主軸7和吸熱器腔體I的內(nèi)壁面吸收。被加熱的固體粒子9、透光窗口 3、攪拌葉片2、主軸7和吸熱器腔體I與來(lái)自空氣進(jìn)口 13的冷空氣12進(jìn)行對(duì)流換熱，將冷空氣12加熱為熱空氣5后從空氣出口 6流出，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能到空氣熱能的轉(zhuǎn)換。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的固體粒子空氣吸熱器，其特征在于，所述的吸熱器由吸熱器腔體(I)、攪拌葉片(2)、透光窗口(3)、進(jìn)料口(4)、空氣出口(6)、主軸(7)、固體粒子(9)、出料口(10)，以及空氣進(jìn)口(13)組成；所述的透光窗口(3)位于吸熱器腔體(I)面對(duì)聚光輻射能流(14)投射的一側(cè)，透光窗口(3)與吸熱器腔體(I)連接處密封；所述的固體粒子(9)堆積在吸熱器腔體(I)內(nèi)；所述的主軸(7)位于吸熱器腔體(I)的中心軸線上，主軸(7)的兩端與吸熱器腔體(I)連接處密封；攪拌葉片(2)安裝在主軸(7)上，與主軸(7)剛性連接；空氣進(jìn)口(13)位于吸熱器腔體(I)的底部或側(cè)面，與吸熱器腔體(I)連接處密封；空氣出口(6)位于吸熱器腔體(I)的頂部，與吸熱器腔體(I)連接處密封；進(jìn)料口(4)位于吸熱器的頂部或側(cè)面，與吸熱器腔體(I)連接處密封；出料口( 10)位于吸熱器的底部，與吸熱器腔體(I)連接處密封。
2.按照權(quán)利要求I所述的用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的固體粒子空氣吸熱器，其特征在于所述的固體粒子(9)為耐1200°C以上溫度的固體粒子。
3.按照權(quán)利要求I所述的用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的固體粒子空氣吸熱器，其特征在于所述的主軸(7)與攪拌葉片(2)剛性連接；所述的主軸(7)的兩端與吸熱器腔體(I)連接處密封。
4.按照權(quán)利要求I所述的用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的固體粒子空氣吸熱器，其特征在于所述的攪拌葉片(2)在其長(zhǎng)度方向上開有孔(15)，孔(15)的截面積大于固體粒子(9)的最大截面積。
全文摘要
一種用于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的固體粒子空氣吸熱器，其吸熱器腔體(1)面對(duì)聚光輻射能流(14)投射的一側(cè)安裝有透光窗口(3)。固體粒子(9)在吸熱器腔體(1)內(nèi)部流動(dòng)。其主軸(7)與吸熱器腔體(1)兩端連接處密封。攪拌葉片(2)位于主軸(7)上，與主軸(7)剛性連接?？諝膺M(jìn)口(13)位于吸熱器腔體(1)的底部或側(cè)面，與吸熱器腔體(1)連接處密封?？諝獬隹?6)位于吸熱器腔體(1)的頂部，與吸熱器腔體(1)連接處密封。進(jìn)料口(4)位于吸熱器的頂部或側(cè)面，與吸熱器腔體(1)連接處密封。出料口(10)位于吸熱器的底部，與吸熱器腔體(1)連接處密封。本發(fā)明可獲得700℃-1600℃、常壓或者1MPa壓力以上的空氣。
文檔編號(hào)F24J2/46GK102818379SQ20121025690
公開日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者張亞南, 白鳳武, 王志峰, 李鑫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所