一种新型固体颗粒吸热装置

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种新型固体颗粒吸热装置。

背景技术

太阳能作为一种清洁的可再生能源得到越来越多的应用，其中塔式太阳能热发电技术因自带储能系统，能够提供稳定的电力供应能力，具备调频、调峰能力，因此受到了广泛的关注。塔式光热电站主要由定日镜场、吸热系统、储换热系统和汽轮发电机组所组成，其中吸热系统作为实现太阳能向热能转换的核心部件，保证其高性能低成本、稳定安全运行是提高太阳能热发电技术竞争力的重要方向。

传统的吸热器采用二元熔盐作为吸热介质，当工作温度低于250℃时，熔盐会凝固，而温度高于565℃时熔盐会分解，既影响系统的安全运行，又降低了系统效率。为提高太阳能热发电效率，降低发电成本，研究新型高温太阳能吸热器结构尤为重要。为了提高储热介质的储热温度，采用固体储热颗粒作为储热介质是目前的研究热点，而如何提高吸热效率是研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型固体颗粒吸热装置，以解决现有技术中固体颗粒吸热器吸热效率不高的问题。

本发明的技术方案为：

一种新型固体颗粒吸热装置，

包括吸热室，所述吸热室内设有吸热腔；所述吸热室的顶部设有至少一个允许颗粒进入所述吸热腔形成第一颗粒幕帘的第一颗粒入口和至少一个允许颗粒进入所述吸热腔形成第二颗粒幕帘的第二颗粒入口；

所述吸热室的底部设有颗粒出口，所述吸热室的侧部设有用于供光照进入所述吸热腔并对颗粒进行加热的吸热口；所述吸热腔内远离所述吸热口的一侧设有至少一用于延缓所述第二颗粒幕帘下落的阻流组件；

且，所述第一颗粒幕帘设于所述吸热口和所述第二颗粒幕帘之间。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述第一颗粒幕帘和所述第二颗粒幕帘的颗粒流量比例在1：19～9：11之间。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述阻流组件至少部分位于光照从所述吸热口进入后形成的光照区域内；

和/或，所述第二颗粒幕帘与所述吸热口之间的距离沿颗粒下落的方向逐渐缩小，且所述阻流组件在垂直于竖直方向的投影面上的投影与所述第一颗粒幕帘在所述投影面上的投影之间形成有间隙。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述阻流组件包括至少一层用于延缓所述第二颗粒幕帘下落的阻流面和用于防止阻流面上的颗粒朝向远离所述吸热口方向散落的侧壁；

其中，所述侧壁和所述阻流面由所述吸热腔的内壁形成；

或，所述侧壁由所述吸热腔内壁形成，所述阻流面悬空衔接在所述吸热腔的内壁；

或，所述侧壁和所述阻流面置于所述吸热腔内且与所述吸热腔内壁连接固定。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述阻流面设有至少一用于容置颗粒的凹槽；

所述凹槽靠近所述吸热口的一侧形成有颗粒朝向所述吸热口方向流动的侧边颗粒下落口；其中，所述侧边颗粒下落口相对第二颗粒入口靠近所述吸热口，和/或所述阻流面设有所述凹槽的一侧沿颗粒下落方向逐层向所述吸热口靠近；

和/或，所述凹槽的底部设有底部颗粒下落口，所述底部颗粒下落口与所述第二颗粒入口错位设置和/或与相邻阻流面的底部颗粒下落口错位设置；其中，所述底部颗粒下落口相对第二颗粒入口靠近所述吸热口和/或所述阻流组件中的所述底部颗粒下落口沿颗粒下落方向逐层向所述吸热口靠近。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，还包括布料器，所述布料器具有与所述第一颗粒入口连通的第一出口和与所述第二颗粒入口连通的第二出口；

所述第一出口和所述第二出口均设有流量调节阀，分别用于调节所述第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘在光照方向的厚度。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述流量调节阀包括至少在光照方向可移动的挡板，用于通过所述挡板的滑动调节所述第一出口或所述第二出口的开口宽度。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述颗粒出口周侧的所述吸热腔底部内壁向所述颗粒出口方向倾斜设置，用于将颗粒聚拢至所述颗粒出口。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述颗粒出口周侧倾斜设置的吸热腔底部内壁上设有滞留部，用于使下落的颗粒在所述颗粒出口周侧倾斜设置的吸热腔底部内壁上形成颗粒滞留层。

某一实施例提供的新型固体颗粒吸热装置中，所述吸热口为所述吸热室侧部上由石英面板封闭的开口，所述石英面板上设有高远红外反射率的镀层；

和/或，所述吸热腔内部表面设有耐高温反射涂层；

和/或，所述阻流组件的侧壁与所述吸热口相对的一面设有耐高温反射涂层。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

本发明提供的新型固体颗粒吸热装置，从吸热口进入吸热腔的入射能量，首先被靠近吸热口的第一颗粒幕帘吸收一部分，由于第一颗粒幕帘自身下落的原因，自上向下颗粒之间的间隙逐渐增加，大部分光照可以通过第一颗粒幕帘对被阻流组件延缓降落的第二颗粒幕帘进行加热。由于阻流组件对第二颗粒幕帘进行延缓下落，进而使得第二颗粒幕帘中颗粒的下落速度小于第一颗粒幕帘中颗粒的下落速度，被延缓降落的第二颗粒幕帘在吸热腔的吸热时间相对增加，进而增加了第二颗粒幕帘的吸热效果。同时阻流组件的设置减少了第二颗粒幕帘在上下方向上的间隙，入射能量穿透第二颗粒幕帘的量相对减少，使得入射能量对第二颗粒幕帘进行加热的效果更好。同时，未被吸收的多余入射能量被第二颗粒幕帘部分反射，反射的入射能量位于第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘之间反复对第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘反复进行加热，而第一颗粒幕帘此时可以防止部分反射的入射能量逃逸出第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘之间的区域(主要为防止入射能量从吸热口逃逸)，进而入射能量持续反复被第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘吸热，使得第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘在吸热腔内的吸热完成后进入颗粒出口前温度相对一致，进而提高了吸热装置的吸热效率和吸热效果。

其次，第二颗粒幕帘在阻流组件的作用下，第二颗粒幕帘自身吸热的速率和效果远大于第一颗粒幕帘，其在达到大致热平衡后，其自身的产生的热辐射也会在第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘之间发生传递，进而对第一颗粒幕帘和/或第二颗粒幕帘产生热传递，使得第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘吸热腔完成吸热后二者之间的温度差减少，进而整体提高了吸热装置的吸热效率和吸热效果。

最后，入射能量和/或热辐射在第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘之间反复的过程中，由于颗粒的形态、第一颗粒幕帘、第二颗粒幕帘下落以及阻流组件的原因，反射的路线不固定且分散，进而有效的避免入射能量和/或热辐射原路返回造成热能逃逸(尤其可以有效防止首次进入的入射能量原路返回逃逸出吸热腔)以及第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘吸热不均或整个吸热腔温度存在差异的现象。因此在高度方向上其他区域的颗粒通过入射能量放射和热辐射也可以被持续加热或热传导，进而提高了吸热装置的吸热效率和吸热效果。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种新型固体颗粒吸热装置的结构示意图；

图2为第一颗粒幕帘和第二颗粒幕帘的不同流量分配下吸热效率的仿真实验结果。

附图标记说明：

1：布料器进口；2：入射能量；3：吸热口；4：第一颗粒幕帘；5：布料器；6：流量调节阀；7：吸热腔；8：阻流面；9：第二颗粒幕帘；10：颗粒出口。

具体实施方式

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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面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来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

参看图1，本实施例提供一种新型固体颗粒吸热装置，包括吸热室，吸热室内设有吸热腔7，吸热室的顶部设有至少一个允许颗粒进入吸热腔7形成第一颗粒幕帘4的第一颗粒入口和至少一个允许颗粒进入吸热腔7形成第二颗粒幕帘9的第二颗粒入口。吸热室的底部设有颗粒出口10，吸热室的侧部设有用于供光照进入吸热腔7并对颗粒进行加热的吸热口3。吸热腔7内远离吸热口7的一侧设有至少一用于延缓第二颗粒幕帘9下落的阻流组件。且第一颗粒幕帘4设于第二颗粒幕帘9和吸热口3之间。第一颗粒幕帘4、第二颗粒幕帘9和吸热口3在面大致平行。

具体，吸热室的上端设有布料器5，布料器5的顶部设有布料器进口1，其底部设有第一出口和第二出口，第一出口与吸热室上的第一颗粒入口连通，第二出口与吸热室上的第二颗粒入口连通。低温颗粒从布料器进口1进入布料器5，经布料器5分配后分别从第一出口和第二出口进入吸热室的吸热腔7内吸热升温。第一出口和第二出口处均为狭长矩形状收束结构，使从第一出口和从第二出口流出的颗粒均能均匀分布而配合第一颗粒入口和第二颗粒入口分别形成第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9。同时，布料器5还具有暂时存储低温颗粒的功能。

第一出口和第二出口处均设有流量调节阀6，分别用于调节第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9在光照方向的厚度。具体，流量控制阀包括至少可沿光照方向上可移动的挡板，通过挡板的滑动调节第一出口或第二出口的开口宽度。挡板可以通过手动调节，可以设置电控结构通过信号控制。流量调节阀6通过控制挡板的移动来控制第一出口和第二出口的宽度，进而调节第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9的宽度，使得颗粒流量与颗粒幕帘厚度直接相关，提高颗粒幕帘的稳定性。

参考图2，第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9的颗粒流量比例，较为优选的是在1：19～9：11之间。在保证入射能量穿过第一颗粒幕帘4的同时，还将第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9二者吸热后温度的差异控制在合理范围内，进而保证了在吸热腔内吸热后的固体颗粒在流出颗粒出口时满足颗粒温度均匀和颗粒温度处在合理范围内的要求。

光照从吸热口3进入吸热腔7后会形成光照区域，阻流组件至少部分位于光照区域内。较为优选的是阻流组件全部位于光照区域内，但由于吸热室一般设置在高处，光照一般从斜下方向斜上方照入吸热腔7，故光照可能无法照到吸热腔7底部，阻流组件最下方的部分可能无法被光照射到。

将阻流组件设置成：使得经过阻流组件下落的第二颗粒幕帘9与吸热口3之间的间隙沿颗粒下落方向逐渐减小，且阻流组件在垂直于竖直方向的投影面上的投影与第一颗粒幕帘4在所述投影面上的投影之间形成有间隙，即阻流组件与第一颗粒幕帘4之间也存在间隙。

如此，一方面，由于光照先照射到第一颗粒幕帘4后再照射到第二颗粒幕帘9，且第一颗粒幕帘4中颗粒的下落速率高于第二颗粒幕帘9中颗粒的下落速率，故在只考虑颗粒对光照的吸热时，在吸热腔7内自上而下，第一颗粒幕帘4中颗粒的温度先大于第二颗粒幕帘9中颗粒的温度，后转变为小于第二颗粒幕帘9中颗粒的温度，且靠近吸热腔7的底部，两者的温差会越大。但由于另一方面，第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9之间的间隙自上而下逐渐减小，使得热辐射和折射的入射能量在第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9之间相互热传递速率在自上而下变得更高，使得第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9之间总的入射能量渐平衡，从而使得从颗粒出口10离开的颗粒温度均匀。

阻流组件包括至少一层用于延缓第二颗粒幕帘9下落的阻流面8和用于防止阻流面上的颗粒朝向远离吸热口3方向散落的侧壁。凹槽在光照方向的宽度与侧壁的高度有关，凹槽的宽度根据阻流组件的侧壁高度进行设置，只要保证颗粒不会越级而下即可。

如图1所述，本实施例中阻流面8和侧壁由吸热腔7的内壁形成。在其他实施例中，侧壁和阻流面8可以均不由吸热腔7的内壁形成，而是置于吸热腔7内与吸热腔7的内壁连接固定；或侧壁有吸热腔7的内壁形成，阻流面8悬空衔接在吸热腔7的内壁，等等，阻流面8和侧壁的具体结构不做限制。

阻流面8上设有至少一用于容置颗粒的凹槽，颗粒会在凹槽内累积，第二颗粒幕帘9中颗粒下落至阻流面8时，会下落在凹槽内的颗粒上，而不是直接下落在阻流面8上，如此能够避免颗粒对凹槽状阻流面8的磨损。

凹槽靠近吸热口3的一侧形成有颗粒朝向吸热口3方向流动的侧边颗粒下落口，即如图1上所示，颗粒从阻流面8的朝向吸热口3的侧边下落，该侧边即为侧边颗粒下落口。其中，侧边颗粒下落口相对第二颗粒入口会更靠近吸热口3，阻流面设有凹槽的一侧沿颗粒下落方向逐层向吸热口3靠近，如此，经过阻流组件的第二颗粒幕帘9会随下落逐渐向吸热口3方向移动，进而与吸热口3之间的间隙逐渐减小。

在其他实施例中，可以在凹槽的底部设置底部颗粒下落口，底部下落口与第二颗粒入口错位设置，相邻阻流面8上的底部颗粒下落口也错位设置；同时，底部颗粒下落口相对第二颗粒入口更靠近吸热口，阻流组件中的底部颗粒下落口沿颗粒下落方向逐层向吸热口3靠近。如此也能实现经过阻流组件的第二颗粒幕帘9与吸热口3之间的间隙自上而下逐渐减小。侧边颗粒下落口和底部颗粒下落口可以同时存在，也可以择一存在，或者也可以在凹槽靠近吸热口一侧的侧壁上开设用于颗粒下落的开口等，此处具体不做限制。

阻流组件的设计，使得第二颗粒幕帘9发生抛物线行为，使得第二颗粒幕帘9的吸热面积更大，入射能量穿过靠近吸热口3的第一颗粒幕帘4后，入射能量在抛物线形式的第二颗粒幕帘9上的吸热行为更好。同时，因为抛物线的现象，第二颗粒幕帘9自身热辐射及反射入射能量的现象相对自由降落反射的入射能量更为分散，使得反射后的入射能量和热辐射减少穿过第一颗粒幕帘4，减少了热能在第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9之间的逃逸，提高了吸热效率和吸热效果。由于反射的入射能量和自身热辐射的分散，即使有穿过第一颗粒幕帘4的热能也不会集中从吸热口3逃逸，进而进入吸热腔7的入射能量利用率更高。抛物线的行为相对自由降落的行为，也会使得穿过第二颗粒幕帘9的热能减弱，进而也可以提高吸热效率和吸热效果。

颗粒出口10周侧的吸热腔7底部内壁向颗粒出口10方向倾斜设置，用于将颗粒聚拢至颗粒出口10。即会形成一个如图1所示的类似漏斗的结构，方便掉落的颗粒集中从吸热室的颗粒出口10离开。当然在其他实施例中，颗粒出口10周侧的吸热腔7底部内壁也可以是水平的，或颗粒出口10设置在水平的吸热腔7底部内壁与吸热腔7侧壁的交界处，等等，此处不做限制。

颗粒出口10周侧倾斜设置的吸热腔7底部内壁(也就是组成类似漏斗结构的内壁)上设有滞留部，用于使下落的颗粒在颗粒出口10周侧倾斜设置的吸热腔7底部内壁上形成颗粒滞留层，使下落的颗粒直接落到颗粒滞留层上，从而有效避免颗粒下落对这部分壁面的冲击和磨损。具体，滞留部可以是凸出设置在内壁上的栅格状的结构，或其他形式的结构，此处不做限制。

吸热口3为吸热室侧部上由石英面板封闭的开口，类似于石英窗，可以有效避免吸热器外部的空气流动对吸热器性能的影响，而定日镜场汇聚的太阳光从吸热口3处通过石英面板进入吸热腔7。同时可以在石英面板上增加高远红外反射率的镀层，阻止吸热腔7内的热辐射通过吸热口3逃逸，减小辐射热损失，进一步提高吸热器的吸热效率。

吸热口3的尺寸应与镜场规模和镜场反射能量相匹配，优选的吸热口3尺寸应使得吸热口3处的平均入射能流密度在0.5MW/m

本实施例中同时设置第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9，可以明显提高吸热腔7内下落颗粒的吸热效率，进而提高颗粒的出口温度。如图2所示为第一颗粒幕帘4和第二颗粒幕帘9的不同流量分配下吸热效率的仿真实验结果。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。