颗粒吸热器

技术领域

本发明涉及吸热及储能技术领域，具体为一种用于光热发电的颗粒吸热器。

背景技术

人类的发展在某种意义上来说就是能源利用方式的发展，当前世界能源消耗仍以不可再生能源为主，其中，煤炭、石油及天然气的能源消耗占比高达84.3％，大量化石能源的消耗对地球生态环境造成了巨大的伤害，新能源，尤其是太阳能，具有总量巨大，清洁安全的优势，引起了科研工作者们的广泛关注。

具体而言，太阳能发电技术主要包括光伏发电、光热发电及热风发电等，其中太阳能光热发电是将收集的太阳能转化为热能用于发电的技术。在光热发电的过程中，以颗粒作为工作介质被科研界普遍认为是新一代优势技术之一，其具有如下优点：颗粒可以在700℃甚至1000℃以上稳定工作，从而支持高温发电过程，比如超临界朗肯循环、超临界二氧化碳布雷顿循环发电等；颗粒不仅可以作为吸热介质，还可以直接作为储热介质，从而降低储热成本，提高系统效率；颗粒本身易于获得，价格相对低廉；高温颗粒本身不仅可以用于发电，还可以用于制氢、煤的气化等热化学过程；颗粒相比于熔融盐存在的低温凝固和高温分解风险，显然更加安全稳定。

目前，在太阳能光热发电技术中负责将太阳能转化为热能的部件是吸热器，其运行性能直接关系到整个光热发电系统的安全稳定高效运行。当前国际上比较典型的颗粒吸热器类型有自由下落式颗粒吸热器、阻碍流式颗粒吸热器、离心式颗粒吸热器、石英管式颗粒吸热器、单斜板式颗粒吸热器等，尽管各种颗粒吸热器各有优点和意义，但也都存在着一些问题，比如自由下落式吸热器颗粒流速过快，加热时间短，从而导致单程升温不足；阻碍流式颗粒吸热器的阻碍结构本身容易出现磨损，易高温变形；离心式颗粒吸热器结构较为复杂且需要外部动力驱动；石英管式颗粒吸热器的石英玻璃本身易碎易脏；单斜板式颗粒吸热器末端颗粒层过厚以及难以匹配上聚光条件等问题。

因此，如何提供一种以简单的结构实现颗粒的升温并且温度相对可控的吸热器、从而安全稳定地将太阳能转化为高温颗粒内的热能是现有技术存在的课题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种用于光热发电的颗粒吸热器，该颗粒吸热器能够以简单的结构实现吸热颗粒的升温，即实现将太阳能转化为高温水平的热能的功能。

本发明提供的颗粒吸热器核心部件包括：用于临时存放待加热的吸热颗粒的入料仓，以及允许吸热颗粒在重力的作用下沿预定路径流动的多级板式吸热通道，其中，多级板式吸热通道由多个板式结构构成，吸热颗粒在从其中一个板式结构流动至相邻的下一板式结构时流动方向发生改变。

根据本发明提供的颗粒吸热器，入料仓本身具有一定的容量，吸热颗粒可以临时存放在入料仓中，从而对进入吸热器的颗粒起到缓冲作用。多级板式吸热通道允许吸热颗粒在重力的作用下在其内部沿着预定路径流动，并在流动的过程中，被聚焦太阳能加热，多个板式结构构成的多级板式吸热通道可以增加吸热颗粒流动的总距离，延长被聚焦太阳能加热的时间，使吸热颗粒可以充分吸收聚焦太阳能的热量，此外，入射光在各级板式结构之间也可以经历多次吸收反射过程，使颗粒对太阳能进行充分吸收，最后，多级结构中平均每级的长度也可以相对减少，从而减少低效吸热区域，降低末端颗粒层厚度并节省空间。

因此，本发明提供的颗粒吸热器，能够以简单的结构实现吸热颗粒的升温，即实现将太阳能转化为高温水平的热能的功能。

在本发明的较优技术方案中，多个板式结构为如下构成中的任一种：多个板式结构均为斜板，吸热颗粒能够在斜板上流动；多个板式结构均为夹层，夹层分别具有上板以及下板，吸热颗粒能够在夹层内流动；多个板式结构由斜板与夹层组合构成，夹层具有上板以及下板，吸热颗粒能够在斜板上或者夹层内流动。

根据该较优技术方案，本发明将直接裸露在聚焦太阳能下，从而直接被聚焦太阳能加热的板式结构称为直射板，直射板包括但不限于斜板或夹层下板。直射板本身可以进行增强透射，反射或者吸收的相关改造来提高吸热器整体对太阳能的吸收效率。

根据该较优技术方案，直射板可以石英玻璃作为材料，石英玻璃具有较高的透射率，且具有良好的热稳定性，此时，照射在直射板上的大部分聚焦太阳能能够透过直射板，直接加热直射板背面的吸热颗粒，少部分聚焦太阳能被直射板及直射板背面的吸热颗粒反射，从而加热下一级板式结构的吸热颗粒。

根据该较优技术方案，直射板可以陶瓷反射板作为材料，陶瓷反射板具有较高的反射率，且具有良好的热稳定性，此时，照射在直射板上的大部分聚焦太阳能被陶瓷反射板反射，反射的聚焦太阳能可以加热下一级板式结构的吸热颗粒，少部分聚焦太阳能被陶瓷反射板吸收并转化为陶瓷反射板的热能，进而间接加热陶瓷反射板背面的吸热颗粒。

根据该较优技术方案，直射板上可以涂覆有耐高温远红外辐射涂料，耐高温远红外辐射涂料可以提高直射板表面的吸收率，且具有良好的热稳定性，此时，大部分聚焦太阳能被直射板吸收并转化为直射板的热能，从而间接加热直射板背面的吸热颗粒，为了提高间接加热效率，对于增强吸收率的改造，直射板应当尽量薄且选用导热性良好的材料。

根据该较优技术方案，上述对直射板的三种类型的改造方案可以单独使用一种或组合使用，以达到最优效果。

在本发明的较优技术方案中，板式结构上加装有挡板。

根据该较优技术方案，以颗粒层上表面被加热的斜板为例，斜板上加装有挡板，只允许高于挡板的吸热颗粒经过，从而将颗粒层分为低于挡板的不流通颗粒层和高于挡板的有效流通颗粒层，加了挡板之后减小了有效流通颗粒层的厚度，缓解了传统单级板式吸热器斜板末端颗粒层过厚的问题。

在本发明的较优技术方案中，在与多级板式吸热通道相对的位置设置有入光口，透明窗以可拆装的方式安装于入光口，透明窗的材质应当具有高透射率和热稳定性，包括但不限于石英玻璃。

根据该较优技术方案，透明窗可以用于隔绝外部风雨，避免内部颗粒丢失及减少吸热器散热损失，透明窗以可拆装的方式安装于入光口，从而可以根据实际需要选择安装或者拆卸，在保证颗粒吸热器安全稳定运行的前提下实现效率最大化。

在本发明的较优技术方案中，颗粒吸热器还包括温度控制装置、接收离开多级板式吸热通道的吸热颗粒的连接漏斗以及与连接漏斗连通的储料仓。

根据该较优技术方案，温度控制装置可以根据实时运行情况调整颗粒流量、颗粒温度分布及出口颗粒温度，连接漏斗呈V型，可以连接两种不同口径的流通截面，储料仓具有一定的容量，可以用来临时存放吸热后的高温吸热颗粒。

在本发明的较优技术方案中，温度控制装置包括流量控制阀、温度传感器和处理器，连接漏斗与流量控制阀相连，因此流量控制阀能够控制通过相应连接漏斗的颗粒流量，温度传感器设置在连接漏斗以及/或者多级板式吸热通道上的测温点处，处理器接收来自温度传感器的温度信号并向流量控制阀输出控制信号。

根据该较优技术方案，温度传感器设置在连接漏斗以及/或者多级板式吸热通道的重要测温点，用来监测吸热器各处的吸热颗粒温度，并将温度信号发送给处理器，处理器结合实际工况要求输出控制信号至流量控制阀，通过流量控制阀来调整吸热器各部分的吸热颗粒的温度。

在本发明的较优技术方案中，连接漏斗设置有多个，流量控制阀也对应地设置有多个。

根据该较优技术方案，可以通过不同区域的流量控制阀分别控制通过相应连接漏斗的颗粒流量，从而控制正对各连接漏斗的多级板式吸热通道内的颗粒流量，最终调整吸热器各部分的颗粒温度。

附图说明

图1是本发明实施方式的聚焦太阳能的利用方式的示意图；

图2是本发明实施方式中用于塔式聚光的颗粒吸热器整体结构示意图；

图3是本发明实施方式中用于塔式聚光的颗粒吸热器的等轴侧剖视图；

图4是本发明实施方式中用于塔式聚光的颗粒吸热器多级板式吸热通道的一种板式结构的内部颗粒流动及光路示意图；

图5是本发明实施方式中又一种板式结构的内部颗粒流动及光路示意图；

图6是本发明实施方式中再一种板式结构的内部颗粒流动及光路示意图；

图7是基于石英玻璃透射板的D点太阳能吸收反射过程示意图；

图8是基于陶瓷反射板的E点太阳能吸收反射过程示意图；

图9(a)是单板由于行程过长导致末端颗粒层过厚的原理示意图；

图9(b)是斜板末端挡板作用的原理示意图；

图10是本发明实施方式的连接漏斗及流量控制阀横向布置示意图；

图11是本发明实施方式的温度控制装置的控制示意图。

附图标记：

1-入料仓；2-多级板式吸热通道；20-夹层；200-夹层上板；201-夹层下板；2010-石英玻璃透射板；2011-陶瓷反射板；21-斜板；22-挡板； 3-连接漏斗；4-温度控制装置；40-流量控制阀；41-温度传感器；42-处理器；43-电动抽杆；5-透明窗；6-储料仓；7-定日镜场；8-吸热塔；9- 入光口；a-颗粒流向；b-太阳光照射路径；c-热量流向；D点-辐射能吸收反射点；E点-辐射能吸收反射点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是本发明的聚焦太阳能的利用方式的示意图，如图1所示，太阳能转化为热能的装置主要包括两部分，即聚光部分和吸热部分，太阳光通过定日镜场7聚焦后，集中通过入光口9照射到吸热塔8中的颗粒吸热器，从而加热吸热器内部的吸热颗粒，加热后的吸热颗粒可以进入其他设备如热交换器进行热量传递，从而进一步利用颗粒内的热能。

图2是本发明用于塔式聚光的颗粒吸热器整体结构示意图，图3是本发明中用于塔式聚光的颗粒吸热器的等轴侧剖视图。结合图2和图3 可以看出，本发明中提供的颗粒吸热器包括：用于临时存放待加热的吸热颗粒的入料仓1，允许颗粒在重力的作用下沿预定路径流动并在此过程中被聚焦太阳能加热的多级板式吸热通道2，连接多级板式吸热通道 2与流量控制阀40的连接漏斗3，以及临时存放出口高温颗粒的储料仓 6。

本实施方式中提供的颗粒吸热器，入料仓1本身具有一定的容量，吸热颗粒首先从外部进入料仓1中缓冲并临时存放在入料仓1中，然后吸热颗粒在重力的作用下通过狭缝(未图示)进入多级板式吸热通道2 中，并在重力的作用下，在多级板式吸热通道2中沿着预定路径向下逐级流动，在此过程中受到通过透明窗5进入的聚焦太阳能加热，最终被加热后的吸热颗粒从多级板式吸热通道2末端进入连接漏斗3，其中，多级板式吸热通道2的多级结构可以增加吸热颗粒流动的距离，延长被聚焦太阳能加热的时间，使吸热颗粒可以充分吸收聚焦太阳能的热量，此外，入射光在多级结构之间也可以经历多次吸收反射过程，使颗粒对太阳能进行充分吸收，最后，多级结构中平均每级的长度也可以相对减少，从而减少低效吸热区域，降低末端颗粒层厚度并节省空间。

因此，本发明提供的颗粒吸热器，能够以简单的结构实现吸热颗粒的升温，即实现将太阳能转化为高温水平的热能的功能。

图4-图6示出了是本发明实施方式中用于塔式聚光的颗粒吸热器多级板式吸热通道2的三种板式结构的内部颗粒流动及光路示意图。

参照图4，多级板式吸热通道2由多个板式结构构成，多个板式结构由相邻的斜板21和夹层20交替构成，夹层20具有上板200和下板 201，上板200和下板201相邻设置以供吸热颗粒通过两者之间。当阳光从图4中的下方直射时，下板201被为直射板，但是，本发明并不限于图4中示出的下板201为直射板的情况，本领域技术人员能够理解的是，直射板是直接裸露在聚焦太阳能下，直接被聚焦太阳能加热的板式结构，从而技术人员能够基于本发明的技术方案，在实际应用中根据阳光的入射角度选择合理的直射板的位置。

在本实施方式中，吸热颗粒在重力的作用下依次通过夹层20和斜板21，夹层20和斜板21交替设置，夹层20和斜板21角度均比颗粒安息角大5°左右。斜板21和夹层20的设置实现了聚焦太阳能的多级利用，提高了聚焦太阳能的利用效率。

在本发明的一些实施方式中，更较优地，下板201由石英玻璃构成。

具体而言，石英玻璃构成的下板201简称石英玻璃透射板2010，石英玻璃透射板2010应具有较高的透射率，且具有良好的热稳定性。

图7是基于石英玻璃透射板2010D点的太阳能吸收反射过程示意图，其中，a为颗粒流向，b为太阳光路线，c为热量流向。具体而言，入射至石英玻璃透射板2010的大部分聚焦太阳能会透过石英玻璃透射板2010对夹层20内的吸热颗粒进行加热，少部分聚焦太阳能被石英玻璃透射板2010反射，透射的聚焦太阳能中的大部分能被石英玻璃透射板 2010背面的流动颗粒层吸收，少部分被流动颗粒层反射，上述被反射的聚焦太阳能大部分被所述夹层20下一级斜板21上的流动颗粒层吸收，少部分经多次反射后逃逸。本实施方式中的下板201利用石英玻璃的高透射率的特性，从而使得定日镜场7聚焦的太阳能能够大部分透过下板201被吸热颗粒直接吸收，且由于吸热颗粒需要在700℃甚至1000℃以上稳定工作，因而石英玻璃的较高的热稳定性可以使得下板201更耐高温，防止下板201在工作过程中出现高温变形等情况，导致太阳能无法安全稳定地被转化成热能加以利用。

在本发明的另一些实施方式中，更较优地，下板201也可以由陶瓷反射板2011构成，与上述实施方式的区别在于原本的石英玻璃透射板 2010替换为陶瓷反射板2011。

图8是基于陶瓷反射板2011的E点太阳能吸收反射过程示意图，其中，a为颗粒流向，b为太阳光路线，c为热量流向。具体而言，入射至陶瓷反射板2011的大部分聚焦太阳能被陶瓷反射板2011反射，这部分被反射的辐射能大部分被所述夹层20下一级斜板21上的流动颗粒层吸收，少部分经多次反射后逃逸，被陶瓷反射板2011吸收的聚焦太阳能会转化为陶瓷反射板2011的热能，进而间接对夹层20内流动的颗粒进行加热。

具体而言，在本实施例中，多级板式吸热通道2中承运颗粒且直接被聚焦太阳能辐射的夹层20的下板201，可以替换或附加增加反射率的材料来引导该部分太阳能通过反射来加热其他位置的颗粒；还可以替换透明材料作为该部分材料，从而透射太阳能以加热原本只能间接加热的颗粒。上述两种方案应根据实际需要使用其中一种或两种混合使用，从而匹配譬如塔式聚光等上聚光入射条件。

本发明中除了夹层下板201外的其他部件，除了可以选用石英玻璃或陶瓷反射板作为材料外，还可以根据实际工况选用310s不锈钢、碳化硅板、莫来石板等耐高温材料。在本发明的一些实施方式中，更较优地，斜板21的末端加装有挡板22。

在本实施方式中，挡板22只允许高于挡板22的吸热颗粒经过，从而将颗粒层分为低于挡板22的不流通颗粒层和高于挡板22的有效流通颗粒层，加了挡板22之后减小了有效流通颗粒层的厚度，缓解了传统单级板式颗粒吸热器斜板21末端颗粒层过厚的问题。

基于传统的单级板式颗粒吸热器存在的斜板21末端颗粒层过厚的问题，此处对单级板式颗粒吸热器斜板21末端颗粒层过厚的问题存在的原因结合附图进行解释，图9(a)是单板由于行程过长导致末端颗粒层过厚的原理示意图，参照图9(a)，为了颗粒能够在重力的作用下流动，斜板21的倾斜角度β应大于颗粒的安息角α，而在实际使用过程中，该角度差值应在2°以上，才能保证颗粒稳定流动。由于斜板21倾斜角度β大于颗粒安息角α，因此，当颗粒以移动床的形式缓慢移动时，距离为l的A 与B两点的颗粒厚度差为Δd＝d

参考图5，多级板式吸热通道2由多个板式结构构成，多个板式结构均为斜板21，吸热颗粒在斜板21上流动。如图5举例示出的阳光从下方直射的情况下，部分斜板21为直射板。斜板21上加装有挡板22。优选地，该挡板22形成于斜板的端部。设置为直射板的斜板21可以由石英玻璃构成，也可以由陶瓷反射板形成，或者涂覆有耐高温远红外辐射涂料，其作用和功能参照上面的描述，不再重复说明。

参考图6，多级板式吸热通道2由多个板式结构构成，多个板式结构均为夹层20，夹层20具有上板200和下板201，上板200和下板201 相邻设置以供吸热颗粒通过两者之间。如图6举例示出的阳光从下方直射的情况下，下板201为直射板。下板201上加装有挡板22。优选地，该挡板22形成于下板201的端部。作为直射板的下板201可以由石英玻璃构成，也可以由陶瓷反射板形成，或者涂覆有耐高温远红外辐射涂料，其作用和功能参照上面的描述，不再重复说明。

较优地，参照图1和图2，在与多级板式吸热通道2相对的位置设置有入光口9，透明窗5以可拆装的方式安装于入光口9。

在本实施方式中，透明窗5可以用于隔绝外部风雨，避免内部颗粒丢失及减小吸热器散热损失，透明窗5以可拆卸的方式安装于入光口9，从而可以根据实际需要选择安装或者拆卸，在保证颗粒吸热器安全稳定运行的前提下实现效率最大化。

具体而言，在本实施方式中，在入光口9处布置了可拆装的透明窗5，透明窗5的材质较优为石英玻璃，一方面，该透明窗5可有效缓解外部风雨对吸热器内部正常运行的影响，透明窗5的可拆装性以及其特殊的石英玻璃材质还可用于提升不同入射辐射强度下的吸热器总效率。具体而言，当入射辐射强度较低时，吸热器内结构本身的辐射对流损失占主体，安装透明窗5可以降低该辐射对流损失从而提升吸热器总效率；当入射辐射强度较高而吸热器内结构本身的辐射对流损失占比较低，而吸热器入光口9 处的透明窗5的反射造成的光学损失不可忽视时，拆下透明窗5反而可能提升吸热器总效率，具体选择应根据具体情况进行判断；另一方面，本实施方式中的透明窗5可拆卸，以方便当透明窗5由于灰尘、水渍等原因造成透射率下降时，可以拆下进行清理还原。

本实施方式中的透明窗5可以是由石英玻璃材料，也可以选择其他耐高温高透射率材料。此外，本实施方式中的入光口9为矩形，因此透明窗 5也为矩形，对于其他入光口9形状，透明窗5也应选择对应形状，透明窗5可以为单片石英玻璃板，也可以由多块石英玻璃板拼接构成，只要能实现在隔绝外部风雨、避免内部颗粒丢失的前提下保证大多数辐射能进入吸热器即可。

图10是本发明实施方式的连接漏斗3及流量控制阀40横向布置示意图，图11是本发明实施方式的温度控制装置4的控制示意图。较优地，参照图10和图11，颗粒吸热器还包括温度控制装置4、连接漏斗3以及与连接漏斗3连通的储料仓6。更较优地，温度控制装置4包括流量控制阀40、温度传感器41和处理器42，流量控制阀40能够控制颗粒流量，温度传感器41设置在连接漏斗3以及多级板式吸热通道2的重要测温点处，处理器42接收来自温度传感器41的温度信号并向流量控制阀40输出控制信号。

在本实施方式中，温度控制装置4可以根据实时运行情况调整颗粒流量、颗粒温度分布及出口颗粒温度，连接漏斗3用于过渡从多级板式吸热通道2传送来的吸热颗粒至流量控制阀40，储料仓6具有一定的容量，可以用来临时存放吸热后的高温吸热颗粒。温度传感器41设置在连接漏斗3以及多级板式吸热通道2的重要测温点处，用来监测吸热器各处的颗粒温度，并将温度信号发送给处理器42，处理器42结合实际工况要求输出控制信号至流量控制阀40，通过流量控制阀40来调整吸热器各处吸热颗粒的温度，确保吸热器能够安全稳定地运行。

具体而言，参考图11，温度传感器41可以实时监测连接漏斗3末端的颗粒温度，并将温度信号传递给处理器42，当监测颗粒温度高于期望颗粒温度时，处理器42指示电动抽杆43进行缩短操作，从而驱动流量控制阀40开度增大，提高通过流量控制阀40的颗粒流量，当颗粒流量增大时，颗粒在多级板式吸热通道2中的时间变短，因而颗粒平均吸收辐射能下降，从而降低颗粒温度，直至温度传感器41测得的颗粒温度与期望颗粒温度接近为止，反之则进行相反操作即可。

本实施方式中的流量控制阀40可以采用抽板阀控制颗粒流量。需要说明的是，也可以根据实际情况使用其他类型阀门，比如气动调节阀等，只要可以起到调节颗粒流量的功能即可。本实施方式中的温度传感器41 是能感测到温度并转换成可用输出信号的传感器，可以是热电偶、热敏电阻等。本实施方式中的处理器42包括运算逻辑部件、寄存器部件、运算器和控制部件等，例如可以是电脑等。

较优地，参照图8，连接漏斗3设置有多个，流量控制阀40也对应地设置有多个而分别控制流经各个连接漏斗3的颗粒量。

在本实施方式中，可以通过不同区域的流量控制阀40控制其直接连接的连接漏斗3内的颗粒量，从而控制正对各连接漏斗3的多级板式吸热通道2内的颗粒流量，最终调整各部分的颗粒温度。

具体而言，如图10所示，在横向上共布置左中右三个连接漏斗3，左中右共三个流量控制阀40以及对应的左中右共三套温度控制装置4，处理器42可以公用，用来应对入射光斑在横向方向上不均匀的问题。在本实施方式中，以中间能流密度较高，左右能流密度较低作为实际工况来说明具体工作方式：此时，由于中间部分能流密度较高，两侧能流密度较低，因此中间颗粒温度较高，而左右侧颗粒温度较低，实时监控左中右三个连接漏斗3末端的温度值，并根据上述温度控制装置4的具体工作方式对左中右三个流量控制阀40进行调整，从而将左中右三个连接漏斗3末端的颗粒温度值调整至相对均匀且与期望温度值接近的状态。

另外，需要补充说明的是，颗粒吸热器还设置有保温结构(未图示)，以提高颗粒温度和吸热器的效率。颗粒吸热器中的保温结构可以是保温罩，首先，该颗粒吸热器中的保温罩(未图示)是由耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制得。本领域技术人员能够理解的是，虽然本较优实施方式中所述的保温罩由耐高温硅酸铝陶瓷纤维毯制得，但是，可以理解的是，显然技术人员还可以根据实际使用需求自行选定其他具有保温作用的材料和结构。其次，本实施方式中的吸热颗粒采用铝矾土陶粒砂与铁锰氧化物颗粒，由于铝矾土陶粒砂便宜易得，且具有良好的耐高温特性，而铁锰氧化物的掺杂可以提升工质整体比热，从而降低后续储热空间及储热成本。虽然本实施方式中采用铝矾土陶粒砂与铁锰氧化物颗粒作为工质，但是，并不限于此，显然技术人员还可以根据实际使用需求自行选定其他具有高吸收率、高耐温性能的颗粒。

以上仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。