一种塔式太阳能容积式集热器

摘要

本发明提出一种塔式太阳能容积式集热器，包括：多孔介质层、反射镜、集热腔外壳和热传输管；集热腔外壳为倒置的漏斗状壳体，集热腔外壳顶部与热传输管连通，底部敞开；多孔介质层为倒置的锅形，多孔介质层底端开口大小与集热腔外壳底端开口大小相适配；多孔介质层与集热腔外壳底部开口密封配合，多孔介质层与集热腔外壳内壁之间形成集热腔；反射镜镜面朝上铺设在集热塔顶部，集热腔设置在发射镜正上方，集热腔底部的多孔介质层下表面与反射镜镜面之间形成空隙。本发明能有效提高集热器光热转换效率；同时，减少了散逸到周围空气中的热辐射量，很大程度缓解了光污染问题，减少炙烤飞鸟概率。

权利要求

1.一种塔式太阳能容积式集热器，所述集热器设置在集热塔顶部，集热器包括多孔介质层（1）、集热腔外壳（4）和热传输管（5）；其特征在于，还包括：反射镜（3）；其中，集热腔外壳（4）为倒置的漏斗状壳体，集热腔外壳（4）顶部与热传输管（5）连通，热传输管（5）另一端连接外部换热设备，集热腔外壳（4）底部敞开；多孔介质层（1）为倒置的锅形，多孔介质层（1）底端开口大小与集热腔外壳（4）底端开口大小相适配；多孔介质层（1）与集热腔外壳（4）底部开口密封配合，多孔介质层（1）与集热腔外壳（4）内壁之间形成集热腔；

反射镜（3）镜面朝上铺设在集热塔顶部，集热腔设置在发射镜正上方，集热腔底部的多孔介质层（1）下表面与反射镜（3）镜面之间形成间隙。

2.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能容积式集热器，其特征在于，所述反射镜（3）为圆形平面镜，且反射镜（3）的直径小于多孔介质层（1）底端开口的直径。

3.根据权利要求2所述的一种塔式太阳能容积式集热器，其特征在于，还包括散热器（7）；散热器（7）包括两块平行设置的圆形金属板，两块圆形金属板之间设置有若干散热翅片（10）；圆形金属板的半径大于反射镜（3）的半径；反射镜（3）铺设在上层的圆形金属板的上表面上，且反射镜（3）的圆心与圆形金属板圆心相重合；上层的圆形金属板上表面除反射镜（3）铺设区域以外的环形区域上，均匀布设有若干散热通孔；散热器（7）底部圆形金属板圆心处设有一冷风进口（11），冷风进口（11）与集热塔内部的冷空气通道连通；散热翅片（10）上形成缺口，各缺口形成从圆形金属板圆心处向散热通孔延伸的散热通道。

4.根据权利要求3所述的一种塔式太阳能容积式集热器，其特征在于，散热器（7）上表面与反射镜（ 3） 下表面间还填充耐高温导热油。

5.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能容积式集热器，其特征在于，所述多孔介质层（1）为孔隙率高于0.85的泡沫陶瓷层。

6.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能容积式集热器，其特征在于，所述集热腔外壳（4）为不锈钢壳体。

7.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能容积式集热器，其特征在于，所述集热腔外壳（4）外还套设有一层保温材料层。

8.根据权利要求7所述的一种塔式太阳能容积式集热器，其特征在于，所述保温材料层外套设防水材料层。

说明书

一种塔式太阳能容积式集热器

技术领域

[0001] 本发明涉及集中式太阳能热发电技术领域，尤其是一种塔式太阳能容积式集热器。

背景技术

[0002] 随着人类社会进步，人类对能源的需求量越来越大，现在人们大量使用的能源为化石能源。但是化石能源的生成周期极长且储量有限，而当今人类社会的发展极为迅速，化石能源不可能作为人类可持续发展能源供给。相比之下，太阳能对于人类来讲使取之不尽，用之不竭的。同时，作为一种清洁能源，太阳能符合人类未来发展的要求。

[0003] 太阳能的使用主要包括两大方面：光伏和光热。其中，大规模的光热发电可用于集中式并网发电，与现在正大规模使用的火力发电兼容度较高，因为二者都是利用热机将热能转化为电能。太阳能热发电这种十分具前景的能源利用方式，研究意义十分重大，技术成熟后拥有极大的商业价值。

[0004] 目前，太阳能热发电形式主要包括塔式，碟式，槽式三种。其中塔式较其他二者具有较高的规模效应，比较适合大规模集中式热发电，搭配储能装置使用，可实现全天候不间断供电。同时，大规模的塔式光热发电可降低光热发电成本，使光热发电更具有竞争力。

[0005] 要提高发电效率，通常需要提高发电系统高温热源温度，因此，提高塔式太阳能集热器的出口温度对提高发电效率十分重要。在塔式太阳能发电系统所应用的高温集热器中，以泡沫陶瓷材料为基础制成的容积式集热器十分具有发展前景。但是目前这种容积式集热器多为开放式设计，提高集热器工作温度的同时，也会大大增强集热器表面的热辐射，大量辐射直接释放到周围空气中，不仅限制了集热器光热装换效率和总体发电效率，还对周围环境造成一定程度的光污染。各大型电站都曾发生许多过小鸟被炙烤死亡的案例，所以如何降低光污染也是研究塔式光热发电的重要课题。对于这种高温容积式集热器，如何在保证工作性能的同时释放最少的热辐射是一个急需解决的问题。

发明内容

[0006] 发明目的：针对现有技术中存在高温容积式集热器辐射损失大，光污染严重，易误伤途径的飞鸟等问题。本发明提供了一种塔式太阳能容积式集热器，设计了新的接收聚光及进气方式，并将反射镜应用于高温容积式集热器中回收辐射损失。

[0007] 技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

[0008] 一种塔式太阳能容积式集热器，所述集热器设置在集热塔顶部，该集热器包括：多孔介质层1、反射镜3、集热腔外壳4和热传输管5；其中，

[0009] 集热腔外壳4为倒置的漏斗状壳体，集热腔外壳4顶部与热传输管5连通，热传输管5另一端连接外部换热设备，集热腔外壳4底部敞开；多孔介质层1为倒置的锅形，多孔介质层1底端开口大小与集热腔外壳4底端开口大小相适配；多孔介质层1与集热腔外壳4底部开口密封配合，多孔介质层1与集热腔外壳4内壁之间形成集热腔；

[0010] 反射镜3镜面朝上铺设在集热塔顶部，集热腔设置在发射镜正上方，集热腔底部的多孔介质层1下表面与反射镜3镜面之间形成间隙。

[0011] 进一步的，所述反射镜3为圆形平面镜，且反射镜3的直径比多孔介质层1底端开口直径小，以方便反射的阳光从斜下方照射多孔介质层。

[0012] 进一步的，所述塔式太阳能容积式集热器还包括散热器7；散热器7包括两块平行设置的圆形金属板，两块圆形金属板之间设置有若干散热翅片10；圆形金属板的半径大于反射镜3的半径；反射镜3铺设在上层的圆形金属板的上表面上，且反射镜3的圆心与圆形金属板圆心相重合；上层的圆形金属板上表面除反射镜3铺设区域以外的环形区域上，均匀布设有若干散热通孔；散热器7底部圆形金属板圆心处设有一冷风进口11，冷风进口11与集热塔内部的冷空气通道连通；散热翅片10上形成缺口，各缺口形成从圆形金属板圆心处向散热通孔延伸的散热通道。

[0013] 进一步的，散热器7上表面与反射镜3下表面间还填充耐高温导热油。

[0014] 进一步的，所述多孔介质层1为孔隙率高于0.85的率泡沫陶瓷层。

[0015] 进一步的，所述集热腔外壳4为不锈钢壳体。

[0016] 进一步的，所述集热腔外壳4外还套设有一层保温材料层。

[0017] 进一步的，所述保温材料层外套设防水材料层。

[0018] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

[0019] 常规塔式定日镜场多为点聚光或者聚焦于圆柱面上，而本发明通过重新设计容积式集热器外形结构，改变接收辐射和进气的方式，将反射镜应用于高温容积式集热器，利用反射镜将多孔介质发射出的热辐射反射回多孔介质，减少辐射热损失，有效提高集热器光热转换效率；同时，减少了散逸到周围空气中的热辐射量，很大程度缓解了光污染问题，减少炙烤飞鸟概率。

附图说明

[0020] 图1是实施例所述塔式太阳能容积式集热器的剖面图；

[0021] 图2是实施例中集热塔整体外观示意图；

[0022] 图3是实施例中多孔介质层的整体示意图；

[0023] 图4是实施例中多孔介质层的装配示意图；

[0024] 图5是实施例中散热器翅片布局示意图；

[0025] 图6是实施例的使用原理图；

[0026] 图7是实施例的数值模拟结果图。

[0027] 其中：1-多孔介质层；1-1-多孔介质块；1-2-固定条；1-3-支撑架；1-4-螺钉；2-集热塔；3-反射镜；4-集热器外壳；5-热传输管；6-定日镜；7-散热器；8-风机；9-冷空气传输通道；10-散热翅片；11-冷风进口。

具体实施方式

[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。

[0029] 图1所示为本发明一个实施例的剖面图，本实施例所述塔式太阳能容积式集热器设置在集热塔2顶部，其整体外观如图2所示。定日镜6铺设在地面上，并呈圆环形阵列分布，集热塔2位于阵列中心。

[0030] 塔式太阳能容积式集热器包括：多孔介质层1、反射镜3、集热腔外壳4、热传输管5和散热器7；其中，集热腔外壳4为倒置的漏斗状壳体，集热腔外壳4顶部与热传输管5连通，热传输管5连通另一端连接换热设备；集热腔外壳4的底部敞开；多孔介质层1为倒置的锅形，多孔介质层1底端开口大小与集热腔外壳4底端开口大小相适配；多孔介质层1与集热腔外壳4底部开口密封配合，多孔介质层1与集热腔外壳4内壁之间形成集热腔。

[0031] 散热器7设置在集热塔2顶部，包括两块平行设置的圆形金属板，两块圆形金属板之间设置有若干散热翅片10，散热翅片10的分布如图5所示。圆形金属板的半径大于反射镜3的半径；反射镜3铺设在上层的圆形金属板的上表面上，且反射镜3的圆心与圆形金属板圆心相重合；上层的圆形金属板上表面除反射镜3铺设区域以外的环形区域上，均匀布设有若干散热通孔；散热器7底部圆形金属板圆心处设有一冷风进口11，冷风进口11与设置在集热塔2内部的冷空气传输通道9连通，冷空气传输通道9的另一端在集热塔2的外壁上形成冷空气进口；散热翅片10上形成缺口，各缺口形成从圆形金属板圆心处向散热通孔延伸的散热通道。

[0032] 集热腔设置在反射镜3的正上方，集热腔底部的多孔介质层1下表面与反射镜3镜面之间形成间隙。

[0033] 上述实施例中，多孔介质层1的整体结构和装配结构分别如图3和图4所示。多孔介质层1包括多孔介质块1-1、固定条1-2、支撑架1-3和螺钉1-4，固定条1-2嵌入多孔介质块1-1的凹槽中，然后多孔介质块1-1与固定条1-2一并由螺钉1-4固定在支撑架1-3上，形成整块的多孔介质层1。多孔介质块1-1与支撑架1-3，以及多孔介质块1-1与固定条1-2之间为间隙配合，多孔介质块1-1之间预留约5mm的间隙，防止膨胀挤压导致多孔介质块破碎。多孔介质块1-1、固定条1-2以及支撑架1-3为同一材质的高温合金，防止因膨胀系数不一导致的结构损坏。

[0034] 优选的，固定条1-2、螺钉1-4及支撑架1-3的材料为氧化物弥散强化合金MA956。

[0035] 优选的，多孔介质块1-1采用孔隙率高于0.85的SiC泡沫材料。

[0036] 优选的，反射镜3选用镀金、镀银或镀铝反射镜。

[0037] 优选的，集热腔外壳4外还套设有一层保温材料层，保温材料层外套设防水材料层。

[0038] 本实施例的原理如图6所示：

[0039] 图中展示了太阳辐射的吸收，热辐射的反射，以及气流的加热过程，由图6中看出聚焦的太阳辐射从集热腔底部与反射镜3镜面之间形成的空隙斜向入射多孔介质表面，气流也从该空隙进入并斜向流入多孔介质之中，这种进气方式有利于加强多孔介质受热表面的对流换热系数，降低表面温度，一定程度上减少表面热辐射量，另外，反射镜3会回收大部分的热辐射能量，只有少量热辐射会散逸到周围空气中。

[0040] 而散热器7内部形成散热气流，散热气流的形成过程如下：冷空气从集热塔2外壁上的冷空气进口进入冷空气传输通道9，通过冷空气传输通道9进入散热器7底部的冷风进口11，冷空气气流在散热器内流动带走反射镜的热量，并在集热器7顶部的散热通孔处随主气流进入集热腔。

[0041] 为进一步增加换热效果，散热器7上表面与反射镜3下表面间还填充耐高温导热油。

[0042] 下面通过有限元数值模拟的结果来分析本实施中反射镜3的效果，本次模拟的参数背景为：

[0043] 设置定日镜圆环形阵列的内半径为15m，外半径为270m，定日镜阵列中共设置有74390块定日镜。集热塔2的高度为110m，多孔介质层1下表面曲率半径为10.4m，反射镜3的半径为3.2m，多孔介质层1下表面中心点距离反射镜3镜面中心点的距离为1.6m，多孔介质层1下表面与反射镜3镜面之间形成的空隙宽度为1.13m，集热腔内表压为-18pa。

[0044] 图7为辐射热流进出多孔介质下表面的辐射热流分布图：

[0045] 图7中A为空气吸收并带走的热量，B为辐射损失的热量，C为太阳热流分布，D为多孔介质释放辐射的热流分布，E为反射回多孔介质的辐射热流分布，纵坐标Q为热流密度，横坐标r为受照射表面上的点到中心轴的距离。热流分布积分得到回收的辐射热能占发射出的辐射热能的64％，在该设计点上出口平均温度为1352K，光热装换效率(空气带走的热量与投入太阳能总能量之比)为88.6％。在其他参数不变的情况下，常见的开放式集热器模拟结果为出口温度1175K，效率为82.0％。对比数值模拟结果发现，本发明提供的高效太阳能容积式集热器不仅光热转换效率比同规格参数的开放式集热器大，出口平均温度也较高。所以使用本发明所提供的集热器代替常见开放式高温容积式集热器，会使整个集中式发电系统的热效率会提高约30％，同时，由于释放到空气中的辐射量减少，而且多孔介质受照射面朝下，损失的能量被地表吸收，因此集热器造成的光污染大大减少，还能降低对鸟类的影响。

[0046] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。