[發明專利]太陽能熱發電用流化床空氣吸熱器

有效

• 申請號: 201310337338.1
• 申請日: 2013-08-05
• 公開（公告）號: CN103423887A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 白鳳武;張亞南;王方舟;張喜良;王志峰;李青;廖志榮
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: F24J2/34
• 分類號: F24J2/34
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發明涉及一種塔式太陽能熱發電用空氣吸熱器。

背景技術

塔式太陽能熱發電是通過多臺跟蹤太陽運動的定日鏡將太陽輻射反射至放置于塔上的吸熱器中獲得高溫傳熱流體，高溫傳熱流體直接或間接通過熱力循環的發電系統，主要包括定日鏡、吸熱器支撐塔、吸熱器、儲熱器和發電機組等。吸熱器是塔式系統光熱轉換的核心裝置，其性能直接影響系統效率。根據吸熱器內傳熱流體的不同，目前世界上運行和在研的塔式太陽能熱發電站主要包括水/蒸汽、熔融鹽和空氣等。空氣電站一般采用布雷頓循環的熱發電模式，空氣經過吸熱器產生700℃以上的高溫熱空氣，進入燃氣輪機，推動壓縮機做功并實現電力輸出，大大減少燃氣用量，其運行效率可以達到30%以上。以空氣作為吸熱與傳熱流體的塔式太陽能熱發電系統有以下優點：運行溫度高，易于運行與維護，無須保溫和冷啟動加熱系統等，因此，以空氣作為吸熱與傳熱流體是未來塔式熱發電站高效率化發展的一個重要方向。容積式空氣吸熱器運行時，吸熱體保持不動，空間上非均勻、時間上非穩定的太陽能高倍聚光輻射能流極易造成吸熱體材料的熱應力破壞，導致吸熱體局部過熱產生“熱斑”，并引起高溫空氣流動過程穩定性差、可靠性不高。固體顆粒空氣吸熱器是空氣吸熱器發展的新的方向，與早期空氣吸熱器相比，固體顆粒空氣吸熱器有其自身獨特的優勢：（1）有效緩解吸熱器受熱不均的問題，吸熱器運行時固體顆粒在接收太陽輻射時隨空氣一起流動，從而避免單個顆粒在高熱流密度區內被長時間加熱，流動的吸熱體利于空氣溫度場的均勻和吸熱體溫度均勻，避免了容積式吸熱器通常出現的吸熱體局部“熱斑”，大大提高了吸熱器的可靠性；（2）固體顆粒比表面積大，顆粒-空氣換熱效率高；（3）有利于實現吸熱-儲熱一體化。固體顆粒空氣吸熱器有望提高現有吸熱器性能，推動太陽能熱發電技術發展，近年來得到了廣泛關注和快速發展。美國專利US58881035公布了采用帶有顆粒以壓縮空氣為傳熱流體的吸熱器，其溫度可被加熱至800℃，該吸熱器無法應用到更高的溫度，且其中間過程熱量損失較大。美國專利US5510109103公布的固體顆粒吸熱器最高工作溫度為900℃，由于采用復雜結構以提高吸熱器效率，可靠性不高。美國專利US31009732公布了一種固體顆粒吸熱器系統，被加熱的固體顆粒-空氣混合物經固體顆粒分離、換熱后固體顆粒和空氣循環利用，氣固混合物溫度在500-860℃，但吸熱器結構復雜，效率不高。中國專利CN112136335A提出了一種基于石英管束的固體顆粒空氣吸熱器，由于采用石英管結構，石英管束間流量分配和受熱不均等問題難以解決。

發明內容

本發明的目的是提供一種太陽能熱發電用流化床空氣吸熱器，以克服現有太陽能熱發電站中空氣吸熱器由于太陽能聚光能流密度高且具有不均勻性和不穩定性，造成吸熱體材料熱應力破壞、流動穩定性差以及可靠性不高的缺點。

本發明流化床空氣吸熱器由吸熱器腔體、固體顆粒、透光窗口、空氣進口、布風板、擋板、空氣出口等組成。所述的吸熱器腔體為圓筒形或方形，內部存放有固體顆粒。吸熱器腔體采用耐高溫材料，如陶瓷或耐熱合金鋼或石英玻璃制作。擋板采用耐高溫材料，如陶瓷或耐熱合金鋼制作。透光窗口可以安裝高透光率和耐高溫的石英玻璃使吸熱器實現承壓運行或者不安裝石英玻璃使吸熱器實現非承壓運行。所述的固體顆粒為吸熱體，空氣為傳熱流體，利用固體顆粒的耐高溫和高輻射吸收率特性實現高效吸熱，通過使顆粒流化起來以實現空氣與固體顆粒間高效換熱。擋板可以為平板或曲面形板，豎直或傾斜一定角度固定在吸熱器腔體內，作用是使固體顆粒在吸熱器腔體內形成穩定的流化狀態。空氣進口位于吸熱器腔體的底部，空氣出口位于吸熱器腔體頂部。布風板位于吸熱器腔體內，布風板可以為多孔板型或風帽型，作用是使氣體均勻分布，以形成良好的初始流化條件，同時支承固體顆粒，防止固體顆粒漏出。透光窗口為吸熱器腔體的一部分，位于吸熱器腔體面對聚光輻射能流投射的一側。透光窗口通常由石英玻璃制成，用于將聚光輻射能流透射至吸熱器腔體內。吸熱器工作在高溫環境，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。吸熱器未工作時固體顆粒自由堆積在吸熱器腔體內；吸熱器工作時，冷空氣從空氣進口流入吸熱器腔體內，在空氣壓力的作用下，堆積于吸熱器腔體內的固體顆粒被吹起，使固體顆粒在吸熱器腔體內流動起來，部分固體顆粒沿擋板和透光窗口間的縫隙下落時吸收自透光窗口透射的聚光輻射能流，轉化為其熱能，空氣的浮升力和固體顆粒的重力作用使得吸熱器腔體內的固體顆粒充分碰撞并與空氣充分接觸，冷空氣與固體顆粒高效對流換熱變為熱空氣，熱空氣從空氣出口流出。