一种填充异形陶瓷管的太阳能热发电用固体颗粒吸热器
文献发布时间：2023-06-19 15:33:48
技术领域
本发明涉及一种太阳能热发电用吸热器，特别涉及一种填充异形陶瓷管的太阳能热发电用固体颗粒吸热器。
背景技术
吸热器是塔式太阳能热发电系统中将太阳辐射能转换为热能的核心装置，通常置于吸热塔的顶部，数量众多的定日镜跟踪太阳将太阳光聚集到吸热器表面。吸热器中的传热流体可以是水、熔融盐、液态金属、空气、超临界二氧化碳、固体颗粒等。被加热的传热流体再加热可发电工质如水蒸汽、超临界二氧化碳、氢气、氦气、空气等推动汽轮机、燃气轮机或斯特林机等进行发电，塔式太阳能热发电技术是目前太阳能热发电的主流技术。
固体颗粒的使用温度范围宽，在-100℃-1200℃内物理和化学性能稳定，对传输管道和容器等无腐蚀，价格便宜，便于获取，易于存储，能够同时作为传热流体和储热介质。固体颗粒吸热器主要分为自由下落式、阻碍下落式、旋转窑式、流化床式等。美国专利US9732986B2公布了一种用多孔介质延缓固体颗粒下落速度的方法，但是由于多孔介质材料的孔隙较小，流动的固体颗粒极易在其内拥堵，工程应用困难。欧洲专利EP 2630219 A2公布了一种利用固体颗粒在不透明金属管里流化吸热的吸热器，能够有效控制颗粒流动和强化吸热，但该专利是利用金属管的间接吸热与换热，存在金属管受热不均后的热应力破坏和局部热斑被烧熔的问题，同时由于管内固体颗粒的无序流动，极易造成金属管内壁面的磨损，影响金属管的使用寿命。中国专利CN102679578A公布了一种在石英玻璃管束内自由下落的固体颗粒吸热器，受热颗粒在旋风分离器中将热量传递给空气，其缺点在于颗粒流速过快，单次下落温升较小，颗粒输运和旋风分离必定要消耗极大的机械功。中国专利CN106524541A公布了一种密集陶瓷颗粒在重力驱动下在竖直或倾斜的圆柱形孔道内下落的固体颗粒吸热器，能够实现颗粒流速的有效控制，缺点在于各孔道间热传递没有进行强化，孔道内背光侧颗粒可能无法有效吸热。中国专利CN105135716A公布了一种带内插件的管式固体颗粒吸热器，固体颗粒在管内螺旋旋转插件上自上而下流动，有效地增加了颗粒的辐射停留时间，但是缺点在于存在固体颗粒流动堵塞的不足。美国专利US2015300692A1公布了一种用规则排列的六棱柱结构延缓固体颗粒下落的颗粒吸热器，固体颗粒在六棱柱之间的缝隙向下流动，阻碍物的制造方法较为复杂。美国专利US20120132398公布了一种倒V型金属结构延缓固体颗粒下落的颗粒吸热器，但是缺点在于会造成阻碍物的破坏。美国专利US8109265公布了一种使空气在吸热腔体中循环的自由下落式颗粒吸热器，能够有效降低热损，缺点在于颗粒下落速度过快，颗粒温升不高。中国专利CN101634490A公布了一种利用吸热球体作为吸热工质的吸热器，能够有效缓解入射能流分布不均带来的热应力破坏，缺点在于球体流动控制困难和球体吸热不均匀。中国专利CN108458506A公布了一种填充内插件石英管式颗粒吸热器，颗粒在流动方向的流道截面渐缩，能够有效实现有序的颗粒流动轨迹，但是存在太阳光无法照射到的区域，吸热效果不佳。中国专利CN109668341A公布了一种塔式太阳能热发电依靠重力驱动的多级固体颗粒吸热器，通过多级吸热器的方式实现大功率吸热，但未能公开每级吸热器的具体结构，工程实施风险不明。
发明内容
本发明的目的在于克服现有固体颗粒吸热器的技术缺陷，提供一种填充异形陶瓷管的固体颗粒吸热器。
本发明提供的技术方案如下：
一种填充异形陶瓷管的太阳能热发电用固体颗粒吸热器，所述吸热器包括颗粒分配器、石英玻璃管、异形陶瓷管、螺栓、漏斗、调节阀和颗粒收集器；自上而下依次为颗粒分配器、石英玻璃管、漏斗、调节阀和颗粒收集器，一根或数根异形陶瓷管填充于石英玻璃管内；异形陶瓷管的背光面轮廓与石英玻璃管内壁面贴合，异形陶瓷管的受光面轮廓和石英玻璃管内壁面形成固体颗粒流道；每根异形陶瓷管的受光面轮廓设置螺纹孔，螺栓通过螺纹孔贯穿异形陶瓷管的受光面轮廓；调节螺栓从螺纹孔的旋出长度控制螺栓的一端与石英玻璃管内壁面贴合；太阳辐射能流透过石英玻璃管内壁面照射到自上而下靠重力下落的固体颗粒上；通过调节阀调控固体颗粒的流动过程。
进一步地，所述吸热器包括颗粒分配器、石英玻璃管、固体颗粒、多根或一根异形陶瓷管、螺栓、漏斗、调节阀、颗粒收集器等。颗粒分配器安装在石英玻璃管的上部；异形陶瓷管和调节螺栓布置于石英玻璃管内，固体颗粒在异形陶瓷管外壁面、螺栓与石英玻璃管内壁面形成的空间内靠重力下落，漏斗与石英玻璃管和异形陶瓷管的下部相连，调节阀位于漏斗的下部，颗粒收集器位于调节阀的下部。
所述的固体颗粒为粒径100微米-2000微米的陶瓷颗粒，满足有氧环境下-50℃-1300℃温度范围内物理化学性质稳定。
所述的异形陶瓷管由氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷等材料制成，满足有氧环境下-50℃-1300℃温度范围内物理化学性质稳定。异形陶瓷管外轮廓同石英玻璃管的内表面共同形成固体颗粒流道。固体颗粒与异形陶瓷管的部分外表面和石英管的部分内表面接触，与固体颗粒相接触的异形陶瓷管一侧预制螺纹孔，视异形陶瓷管的长度，每根异形陶瓷管一侧可预制一个或多个螺纹孔。与螺纹孔配合使用的螺栓由与异形陶瓷管相同材料制成，螺栓与螺纹孔连接，螺栓从螺纹孔的可旋出长度需满足螺栓的旋出端与石英玻璃管内壁面紧密接触。
所述的石英玻璃管为壁厚3mm-10mm、直径50mm-200mm、长度1000mm-6000mm的工业级产品。
所述的固体颗粒流道为填充在一根石英玻璃管内填充了多根长度相同或不同的异形陶瓷管形成的空腔，异形陶瓷管的外轮廓可以相同也可以不同。
本发明具有以下优点：通过选用多根长度相同或不同的异形陶瓷管填充在石英玻璃管内，异形陶瓷管的外形轮廓可以相同也可以不同，采用螺栓对异形陶瓷管在石英玻璃管内的位置进行调节和固定，可与不同直线度和截面圆度的石英玻璃管配合使用。通过对异形陶瓷管外形轮廓的设计，可获得不同截面形状和尺寸的颗粒流道。本发明的异形陶瓷管长度选择灵活，极大地降低了异形陶瓷管的制作难度，节省了生产费用。
附图说明
图1为单根石英玻璃管固体颗粒吸热器示意图；
图2为单根石英玻璃管固体颗粒吸热器截面示意图；
图3为异形陶瓷管示意图；
图4为多根石英玻璃管固体颗粒吸热器示意图；
图中：颗粒分配器1、石英玻璃管2、固体颗粒3、异形陶瓷管4、螺栓5、漏斗6、调节阀7、颗粒收集器8、太阳辐射能流9、石英玻璃管内壁面10、受光面轮廓11、背光面轮廓12、固体颗粒流道13、异形陶瓷管内壁面轮廓14、螺纹孔15。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行进一步说明。
本发明实施例1如图1和图2所示，图1为一种单根石英玻璃管固体颗粒吸热器结构的示意图，包括颗粒分配器1、石英玻璃管2、固体颗粒3、异形陶瓷管4、螺栓5、漏斗6、调节阀7、颗粒收集器8。自上而下依次为颗粒分配器1、石英玻璃管2、漏斗6、调节阀7和颗粒收集器8。异形陶瓷管4通过螺栓5的一端与石英玻璃管内壁面10贴合。太阳辐射能流9透过石英玻璃管内壁面10照射到自上而下靠重力下落的固体颗粒3上。通过调节阀7调控固体颗粒3的流动过程。
固体颗粒3为粒径100微米-2000微米的陶瓷颗粒，有氧气环境下-50℃-1300℃温度范围内物理化学性质稳定。
所述的异形陶瓷管4由氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷等材料制成，满足有氧气环境下-50℃-1300℃温度范围内物理化学性质稳定。
所述的螺栓5与异形陶瓷管4的材料组分和性能相同。
石英玻璃管2为壁厚3mm-10mm、直径50mm-200mm、长度1000mm-6000mm的工业级产品。
图2所示为图1所示的吸热器中石英玻璃管2、固体颗粒3和异形陶瓷管4横截面示意图，最外侧为石英玻璃管内壁面10，异形陶瓷管外壁面轮廓分为受光面轮廓11和背光面轮廓12，其中背光面轮廓12与石英玻璃管内壁面10贴合，受光面轮廓11和石英玻璃管内壁面10共同形成固体颗粒流道13。异形陶瓷管内壁面轮廓14呈圆形或其他形状，便于加工制作。螺栓5贯穿异形陶瓷管的受光面轮廓11和异形陶瓷管内壁面轮廓14。多个异形陶瓷管4放置于石英玻璃管2内部，通过螺栓5的一端与石英玻璃管内壁面10紧密接触，使得背光面轮廓12与石英玻璃管内壁面10紧密贴合。太阳辐射能流9透过石英玻璃管内壁面10照射到固体颗粒3上。图3为一种异形陶瓷管4的示意图，其中图(a)为立面剖面图，图(b)为截面剖面图。在受光面轮廓11侧预制螺纹孔15，螺纹孔15用于控制螺栓5的旋出长度。
工作时，颗粒分配器1、固体颗粒流道13和漏斗6中充满颗粒，开启调节阀7，固体颗粒3从颗粒分配器1中在重力的作用下流入固体颗粒流道13、漏斗6和颗粒收集器8中，固体颗粒3在石英玻璃管2中的下落过程吸收太阳辐射能流9而被加热。通过控制调节阀7的开度调控固体颗粒3的流量以适应太阳辐射能流9的变化。
本发明实施例2如图4所示，一种多根石英玻璃管固体颗粒吸热器结构示意图，包括一个颗粒分配器1、多根石英玻璃管2、多个漏斗6、多个调节阀7、一个颗粒收集器8。自上而下依次为一个颗粒分配器1、多根石英玻璃管2、多个漏斗6、多个调节阀7和一个颗粒收集器8。每根石英玻璃管2内放置有如图3所示的异形陶瓷管4，每根石英玻璃管2内形成独立的固体颗粒流道13。组成吸热器的多根石英玻璃管2内的固体颗粒流道13的几何形状可以相同也可以不同。其余部分与实施例1相同。
工作时，颗粒分配器1、每根石英玻璃管2的固体颗粒流道13和每个漏斗6中充满颗粒，开启调节阀7，固体颗粒3从颗粒分配器1中在重力的作用下流入每根石英玻璃管2的固体颗粒流道13和漏斗6后汇集到颗粒收集器8中，固体颗粒3在下落过程吸收太阳辐射能流9而被加热。通过控制每个调节阀7的开度调控固体颗粒3的流量以适应太阳辐射能流9的变化。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。