一种颗粒吸热器及包含其的吸热系统、太阳能热发电系统
阅读说明：本技术 一种颗粒吸热器及包含其的吸热系统、太阳能热发电系统 (Particle heat absorber, heat absorbing system comprising same and solar thermal power generation system ) 是由 谭建平 易富兴 宓霄凌 李建华 毛永夫 于 2018-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种颗粒吸热器及包含其的吸热系统、太阳能热发电系统,所述颗粒吸热器包括：中空的吸热腔,所述吸热腔由至少两个在高度方向上相互串联的吸热腔单元组合而成；每个所述吸热腔单元的顶部设置有至少一个允许固体储热颗粒进入该吸热腔单元内的第一连通孔,每个所述吸热腔单元的底部设置有允许所述固体储热颗粒自该吸热腔单元内排出的第二连通孔；每个所述吸热腔单元的侧面设置有至少一个光线接收口,以允许太阳光穿过所述光线接收口照射至从所述吸热腔单元内部流过的所述固体储热颗粒的表面；并且,所述颗粒吸热器还包括至少一个固体储热颗粒减速装置,所述固体储热颗粒减速装置设置于任意相邻的两个所述吸热腔单元之间。(The invention discloses a particle heat absorber, a heat absorption system comprising the same and a solar thermal power generation system, wherein the particle heat absorber comprises: the heat absorption cavity is formed by combining at least two heat absorption cavity units which are mutually connected in series in the height direction; the top of each heat absorption cavity unit is provided with at least one first communication hole allowing solid heat storage particles to enter the heat absorption cavity unit, and the bottom of each heat absorption cavity unit is provided with a second communication hole allowing the solid heat storage particles to be discharged from the heat absorption cavity unit; the side surface of each heat absorption cavity unit is provided with at least one light receiving opening so as to allow sunlight to pass through the light receiving openings to irradiate the surfaces of the solid heat storage particles flowing through the interior of the heat absorption cavity unit; and the particle heat absorber also comprises at least one solid heat storage particle speed reduction device, and the solid heat storage particle speed reduction device is arranged between any two adjacent heat absorption cavity units.)
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种颗粒吸热器及包含其的吸热系统、太阳能热发电系统。
背景技术
吸热器是塔式太阳能光热电站的核心设备，其通过吸收定日镜反射的太阳能，加热位于吸热器内部的储热介质，进而将太阳能转化为热能，并进一步利用储热介质存储的能量在换热器中加热水工质产生预设温度的蒸汽，以驱动汽轮机，带动发电机发电。
目前塔式太阳能热发电厂采用的吸热器一般为熔盐吸热器、水工质吸热器、导热油吸热器等，各吸热器对应的储热介质分别为硝酸盐(60％NaNO3和40％KNO3)、水和导热油等，这些储热介质的吸热温度相对较低，严重限制了太阳能热发电厂后端的热电效率。
为了提高储热介质的储热温度，研究人员发现采用陶瓷颗粒或砂粒等固体储热颗粒作为储热介质时，其储热温度能够达到1000℃左右，能够极大提高太阳能热发电厂后端的热点效率。为了充分利用固体储热颗粒的储热特性，人们也对应开发出了适合以固体储热颗粒作为储热介质的颗粒吸热器。
现有技术中的颗粒吸热器，具有以下缺陷：
第一、在使用时，颗粒吸热器内的固体储热颗粒在颗粒吸热器的吸热腔内自由下落，由于固体储热颗粒受到重力的加速作用，导致固体储热颗粒下降速度过快，在颗粒吸热器的吸热腔中停留的时间过短，导致吸热时间较短，无法充分吸收太阳能；
第二、吸热腔内的能流密度分布不均，导致固体储热颗粒吸热温度分布不均匀；
第三、吸热腔内固体储热颗粒直接下落吸热的同时，外界环境风速会扰乱下落的固体储热颗粒帘幕，甚至会把腔体内的颗粒吹出吸热器外。
发明内容
本发明提供一种颗粒吸热器，其能有效降低颗粒吸热器的吸热腔内的固体储热颗粒的下降速度，进而延长固体储热颗粒在吸热腔内接受光照的时间，使得固体储热颗粒的温度得到提升；另外，本发明通过多个第一连通孔的设置，在颗粒吸热器的吸热腔内形成多层固体储热颗粒帘幕，在颗粒吸热器周围环境风速较大时，能够通过启用或停用一个或多个固体储热颗粒帘幕，减小风速对固体储热颗粒帘幕的扰动，防止固体储热颗粒被风吹至吸热腔之外。
在本发明的第一方面，本发明提供了一种颗粒吸热器，其包括：
中空的吸热腔，所述吸热腔由至少两个在高度方向上相互串联的吸热腔单元组合而成；每个所述吸热腔单元的顶部设置有至少一个允许固体储热颗粒进入该吸热腔单元内的第一连通孔，每个所述吸热腔单元的底部设置有允许所述固体储热颗粒自该吸热腔单元内排出的第二连通孔；每个所述吸热腔单元的侧面设置有至少一个光线接收口，以允许太阳光穿过所述光线接收口照射至从所述吸热腔单元内部流过的所述固体储热颗粒的表面；并且，所述颗粒吸热器还包括至少一个固体储热颗粒减速装置，所述固体储热颗粒减速装置设置于任意相邻的两个所述吸热腔单元之间。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，至少一个所述吸热腔单元的顶部设置有至少两个第一连通孔。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，同一吸热腔单元顶部的各第一连通孔相互平行且逐渐远离所述光线接收口。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，所述第一连通孔为狭长的缝隙。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，所述光线接收口所在的平面与水平面之间的夹角为30°-90°。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，所述吸热腔单元的背光面的横向截面为弧线形、折线形或两者的结合，并且，所述吸热腔单元的背光面的内侧壁设置有耐高温反光层。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，所述固体储热颗粒减速装置为固体颗粒预混器，所述固体颗粒预混器将来自所述固体颗粒预混器上方的所述吸热腔单元中的所述固体储热颗粒减速并均匀混合。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，所述固体储热颗粒减速装置与位于其下部的所述吸热腔单元上的所述第一连通孔的连接处设置有均流管。所述均流管用于使固体储热颗粒沿第一连通孔延伸方向均匀分散。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，所述固体储热颗粒减速装置底部设置有颗粒分流装置，所述颗粒分流装置能使所述固体储热颗粒减速装置中的所述固体储热颗粒沿设置于所述吸热腔单元的顶部的各第一连通孔均匀落入对应的吸热腔单元中；并且，所述颗粒分流装置与所述均流管连接。
作为本发明所述的颗粒吸热器的一种改进，所述颗粒分流装置包括至少两个颗粒分流管道，每个所述颗粒分流管道上均设置有流量调节装置，所述流量调节装置调整每个颗粒分流管道中的所述固体储热颗粒的流速，并且，每个所述颗粒分流管道与一对应的所述均流管连接。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种吸热系统，包括：
颗粒吸热器，所述颗粒吸热器为上述任一所述的颗粒吸热器；
颗粒放料仓，设置于所述颗粒吸热器的上方，用于向所述颗粒吸热器提供固体储热颗粒；
高温颗粒储存仓，设置于所述颗粒吸热器的下方，用于存储被所述颗粒吸热器加热的所述固体储热颗粒；
换热器，设置于所述高温颗粒储存仓的下方，以将所述固体储热颗粒存储的热量转移至所述换热器中的吸热工质中；
低温颗粒储存仓，设置于所述换热器的下方，用于存储自所述换热器中排出的所述固体储热颗粒；
颗粒提升装置，所述颗粒提升装置的一端与所述低温颗粒储存仓的固体储热颗粒出口连通，另一端与所述颗粒放料仓上的固体储热颗粒入口连通，以将所述低温颗粒储存仓中的固体储热颗粒转移至所述颗粒放料仓内。
作为本发明所述的吸热系统的一种改进，所述颗粒放料仓内设置有均流管，所述均流管使得进入所述颗粒吸热器内的固体储热颗粒分散为固体储热颗粒帘幕。
在本发明的又一方面，本发明提供了一种太阳能热发电系统，其设有上述任一所述的吸热系统。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明通过将颗粒吸热器中的吸热腔设置为包括多级吸热腔单元，并且在相邻两级吸热腔单元之间设置固体储热颗粒减速装置，使用时，固体储热颗粒在进入吸热腔后开始自由降落，当固体储热颗粒到达固体储热颗粒减速装置时，固体储热颗粒的速度得到降低，从而延长了固体储热颗粒在吸热腔内的停留时间，使得固体储热颗粒能够有充分的时间吸收太阳能；
2、由于固体储热颗粒在吸热腔内自由下落时，形成了具有一定厚度的帘幕，导致帘幕在其厚度方向所接受的太阳辐射不同，从而使得帘幕各处的固体储热颗粒温度不同，当固体储热颗粒降落到固体储热颗粒减速装置处时，固体储热颗粒能够被预混合，从而使得固体储热颗粒的温度得到均一化；
3、本发明在吸热腔单元的顶部设置多个第一连通孔，各第一连通孔相互平行设置，并且逐渐远离光线接收口，当颗粒吸热器周围环境中的风速较大时，可以通过减小或关停靠近光线接收口的一层或多层固体储热颗粒帘幕，从而能够有效降低固体储热颗粒被风吹至吸热腔外的风险；并且，由于每层帘幕中的固体储热颗粒之间都存在缝隙，当太阳光照射至帘幕上时，会有部分太阳光穿过固体储热颗粒之间的缝隙，到达吸热腔的内壁，从而需要吸热腔内壁具有较高的耐高温能力，通过设置多层帘幕，其能对入射的太阳光进行多次吸收，一方面能够提高太阳能的利用率，另一方面，能够降低对于吸热腔单元内壁的耐高温能力的要求，降低颗粒吸热器的制造成本。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
图1为本发明实施例的吸热系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的吸热腔单元沿图4-图7所示的A-A方向的纵向剖面图；
图3为本发明实施例的吸热腔单元沿第一连通孔延伸方向的纵向剖面图；
图4为本发明实施例的吸热腔单元的一种实施方式的俯视图；
图5为本发明实施例的吸热腔单元的另一种实施方式的俯视图；
图6为本发明实施例的吸热腔单元的又一种实施方式的俯视图；
图7为本发明实施例的吸热腔单元的再一种实施方式的俯视图；
图中各标号对应的元件为：1-颗粒放料仓，2-吸热腔单元，3-固体储热颗粒减速装置，4-高温颗粒储存仓，5-换热器，6-低温颗粒储存仓，7-颗粒提升装置，8-流量调节装置，9-颗粒分流管道，10-颗粒分流装置，11-颗粒帘幕层，12-光线接收口，13-均流管，14-吸热腔单元背光面，15-颗粒吸热器，16-第一连通孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应该理解，这些实施例仅用于说明本发明，而不用于限定本发明的保护范围。在实际应用中本领域技术人员根据本发明做出的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种吸热系统，其包括：
颗粒吸热器15；
颗粒放料仓1，设置于所述颗粒吸热器15的上方，用于向所述颗粒吸热器提供固体储热颗粒；本实施例优选，所述颗粒放料仓1内设置有均流管，所述均流管使得进入所述颗粒吸热器15内的固体储热颗粒分散为固体储热颗粒帘幕；
高温颗粒储存仓4，设置于所述颗粒吸热器15的下方，用于存储被所述颗粒吸热器15加热的固体储热颗粒；
换热器5，设置于所述高温颗粒储存仓4的下方，用以将所述固体储热颗粒存储的热量转移至换热器5中的吸热工质中；一般地，吸热工质为水工质，在换热器中，固体储热颗粒存储的热量通过换热被转移至水工质中，进而使得水工质转化为高温蒸汽以对外界做功，当然，在本实施例中，对吸热工质的具体形式不进行限定；
低温颗粒储存仓6，设置于所述换热器5的下方，用于存储自所述换热器5中排出的固体储热颗粒；
颗粒提升装置7，所述颗粒提升装置7的一端与所述低温颗粒储存仓6的固体储热颗粒出口连通，另一端与所述颗粒放料仓1上的固体储热颗粒入口连通，以将低温颗粒储存仓6中的固体储热颗粒转移至颗粒放料仓1内。
本实施例还提供一种太阳能热发电系统，其设有上述提供的吸热系统。当将上述吸热系统应用于塔式聚光系统中时，整个吸热系统被装设于吸热塔内，固体储热颗粒从颗粒放料仓1排出，直至进入低温颗粒储存仓6的整个过程中，完全依靠固体储热颗粒自身的重力驱动，无需增加额外的驱动设备驱动固体储热颗粒的流动，能够极大地节省能量，当固体储热颗粒进入低温颗粒储存仓6内后，只需通过颗粒提升装置，固体储热颗粒即可重新进入颗粒放料仓1内，如此，可形成一个固体储热颗粒重复吸热的循环。
请再次参见图1，上述颗粒吸热器15包括：
中空的吸热腔，所述吸热腔由两个在高度方向上相互串联的吸热腔单元2组合而成；图1所示的吸热腔单元2的数量仅为示例，在具体使用时，吸热腔单元2的数量可为两个以上的任意数量，具体可根据该颗粒吸热器15功率的实际设计需求进行调整；
并且，请参见图2，在每个吸热腔单元2的侧面设置有光线接收口12；
请参见图4-图7，每个所述吸热腔单元2的顶部均设置有多个允许固体储热颗粒进入对应吸热腔单元内的第一连通孔16，并且，每个所述吸热腔单元2的底部均设置有允许固体储热颗粒自对应吸热腔单元2内排出的第二连通孔；固体储热颗粒自第一连通孔进入吸热腔单元内，并利用自身重力自由降落，在降落的过程中会通过设置在吸热腔单元侧面上的光线接收口12接收太阳光的照射，从而吸收并存储热量，当该颗粒换热器具体应用于塔式太阳能聚光系统中时，聚光系统中成千上万的反射镜会将太阳光反射至吸热腔单元2的光线接收口12处，进而利用反射镜汇聚的太阳光加热固体储热颗粒；同时，由于在塔式聚光系统中，颗粒吸热器15被置于一定高度的吸热塔上，而反射镜设置于地面之上，为了便于反射镜能够将太阳光最大化的反射到光线接收口12处，本实施例中将光线接收口12设置为：所述光线接收口12所在的平面与水平面之间的夹角为30°-90°；
并且，所述颗粒吸热器15还包括至少一个固体储热颗粒减速装置3，所述固体储热颗粒减速装置2设置于任意相邻的两个吸热腔单元2之间。固体储热颗粒在吸热腔单元2中自由降落时，会被地球引力不断加速，即随着降落的时间越来越久，固体储热颗粒下落的速度会越来越快，为了延长固体储热颗粒在吸热腔单元2中的停留时间和吸热时间，通过设置固体储热颗粒减速装置3，可根据实际需求对下落的固体储热颗粒进行减速，该固体储热颗粒减速装置3既可将通过其的固体储热颗粒速度降为零，也可仅适当使固体储热颗粒下落速度减小，对固体储热颗粒下降速度的减小幅度可根据实际需求进行调整。
优选地，在本实施例中，所述固体储热颗粒减速装置3为固体颗粒预混器，用以将来自所述固体颗粒预混器上方的吸热腔单元2中的固体储热颗粒减速并均匀混合，固体储热颗粒在经过吸热腔单元2加热时，由于固体储热颗粒本身下落形成的帘幕层具有一定的厚度，导致固体颗粒帘幕层在厚度方向各处的温度不一致，通过在固体颗粒减速装置中增加固体储热颗粒预混合功能，能够使得固体储热颗粒的温度得到均一化。
另外，在本实施例中，如图2、图4-图7所示，至少一个所述吸热腔单元2顶部设置有多个第一连通孔16；在其他实施例中，至少一个所述吸热腔单元2的顶部还可以仅设置有一个第一连通孔；
请参见图4-图7任一所示，所述第一连通孔16为狭长的缝隙，并且，同一吸热腔单元2顶部的各第一连通孔相互平行且逐渐远离光线接收口。
具体地，在实际应用时，第一连通孔16可以为直线形的缝隙、弧线形的缝隙或者弧线与直线相结合的异形缝隙。
通过将第一连通孔16设计为缝隙状的结构，当固体储热颗粒自第一连通孔16进入吸热腔单元2内时，可以使固体储热颗粒以帘幕的形式进入吸热腔单元内，从而增大固体储热颗粒帘幕与太阳光的接触面积。
同时，通过设计缝隙的宽度，可以对固体储热颗粒帘幕的厚度进行控制，便于太阳光对固体储热颗粒进行均匀加热。
另外，通过在同一吸热腔单元2上设置多个相互平行的第一连通孔，可以在吸热腔单元内形成多层固体储热颗粒帘幕，由于每层固体储热颗粒帘幕中的固体储热颗粒之间必然会存在间隙，则必然会有部分太阳光穿过外层固体储热颗粒帘幕，通过设置多层固体储热颗粒帘幕，可以利用未被外层固体储热颗粒帘幕利用的太阳光，从而增大太阳能的利用效率；另外，太阳光通过多层固体储热颗粒帘幕的吸热，到达吸热腔单元内壁的太阳光能量就会被削弱，从而降低对吸热腔单元2的内壁耐高温的要求，降低整个颗粒吸热器的制造成本；并且，由于吸热腔单元2侧面上的光线接收口为敞口式结构，当吸热腔单元2周围环境中的风速较大时，会将固体储热颗粒帘幕层中的固体储热颗粒吹至吸热腔单元2之外，此时，可以关闭或减小外层固体储热颗粒帘幕的流量，从而降低固体储热颗粒被吹至吸热腔单元2外侧的风险。
优选地，如图4-图7所示，所述吸热腔单元背光面14的横向截面为弧线形、折线形或两者的结合，并且，所述吸热腔单元背光面14的内侧壁设置有耐高温反光层。由于吸热腔单元背光面14设计为弧形或折线形结构，并且，吸热腔单元背光面14的内侧壁设置有耐高温反射层，通过吸热腔单元2的光线接收口12进入吸热腔单元2内部的太阳光会在吸热腔单元2内部发生内反射，从而能够将未被固体储热颗粒帘幕吸收的太阳光重新反射至固体储热颗粒帘幕表面，从而提高对太阳能的利用效率。
进一步地，在本实施例中，如图2和图3所示，所述固体储热颗粒减速装置3与位于其下部的吸热腔单元2上的第一连通孔连接处设置有均流管13，用于使固体储热颗粒沿第一连通孔延伸方向均匀分散，并且，所述固体储热颗粒减速装置3的底部设置有颗粒分流装置10，以使所述固体储热颗粒减速装置3中的固体颗粒沿设置于所述吸热腔单元顶部的各第一连通孔均匀落入对应吸热腔单元2中，并且，所述颗粒分流装置10与所述均流管13连接。
所述颗粒分流装置10包括至少两个颗粒分流管道9，每个颗粒分流管道9上设置有流量调节装置8，以调整每个颗粒分流管道9中固体储热颗粒的流速，并且，所述颗粒分流管道9与均流管13连接。通过设置颗粒分流装置10和颗粒分流管道9，可以使固体储热颗粒被分流到同一吸热腔单元2上的各第一连通孔16处，进而通过均流管13使得各颗粒分流管道9流出的固体储热颗粒被沿着第一连通孔16的延伸方向均匀分散(参见图3)，从而形成进入吸热腔单元2内的固体储热颗粒帘幕。
本发明具有以下优点：
1、本发明通过将颗粒吸热器中的吸热腔设置为包括多级吸热腔单元，并且在相邻两级吸热腔单元之间设置固体储热颗粒减速装置，使用时，固体储热颗粒在进入吸热腔后开始自由降落，当固体储热颗粒到达固体储热颗粒减速装置时，固体储热颗粒的速度得到降低，从而延长了固体储热颗粒在吸热腔内的停留时间，使得固体储热颗粒能够有充分的时间吸收太阳能；
2、由于固体储热颗粒在吸热腔内自由下落时，形成了具有一定厚度的帘幕，导致帘幕在其厚度方向所接受的太阳辐射不同，从而使得帘幕各处的固体储热颗粒温度不同，当固体储热颗粒降落到固体储热颗粒减速装置处时，固体储热颗粒能够被预混合，从而使得固体储热颗粒的温度得到均一化；
3、本发明在吸热腔单元的顶部设置多个第一连通孔，各第一连通孔相互平行设置，并且逐渐远离光线接收口，当颗粒吸热器周围环境中的风速较大时，可以通过减小或关停靠近光线接收口的一层或多层固体储热颗粒帘幕，从而能够有效降低固体储热颗粒被风吹至吸热腔外的风险；并且，由于每层帘幕中的固体储热颗粒之间都存在缝隙，当太阳光照射至帘幕上时，会有部分太阳光穿过固体储热颗粒之间的缝隙，到达吸热腔的内壁，从而需要吸热腔内壁具有较高的耐高温能力，通过设置多层帘幕，其能对入射的太阳光进行多次吸收，一方面能够提高太阳能的利用率，另一方面，能够降低吸热腔单元内壁的耐高温能力，降低吸热器的制造成本。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。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。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。