CN103512224B - 一种太阳能光热接收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述太阳能光热接收装置由密封结构和密封结构内部的太阳能光热接收器组成；所述太阳能光热接收器包括辅吸收换热管道和主吸收换热管道，所述辅吸收换热管道内部换热介质温度低于主吸收换热管道内部的换热介质温度；辅吸收换热管道接收主吸收换热管道释放的热量和/或接收主吸收换热管道未接收的太阳光热量；太阳能光热接收装置通过所述太阳能光热接收器的管道内部流动的换热介质带走热量。该太阳能光热接收装置可应用于槽式光热聚光***、菲涅尔阵列式光热聚光***和塔式聚光光热接收装置中。

Description

一种太阳能光热接收装置
技术领域
本发明涉及一种应用于太阳能热利用领域的太阳能光热接收装置。
背景技术
随着太阳能等可再生能源利用在全世界蓬勃发展，太阳能聚热发电（CSP）逐步为人们所认识，在CSP体系中，吸热传热部分具有非常重要的地位。太阳能的集热***中的换热介质，目前主要采用导热油为传热工质，经导热油-蒸汽换热器后产生蒸汽驱动常规蒸汽轮机带动发电机组发电；目前国际太阳能集热技术的换热介质的替代品有熔融盐类材料，例如意大利的ENEA研究的熔盐介质集热器，熔盐介质结晶点较高，大多在230至260℃左右，但当前熔融盐主要用于热储能。最有前景的传热介质为利用水直接作为换热介质的直接蒸汽发生（DSG）技术；该技术已经试验多年，其与蒸汽锅炉受热管道运行原理相似，以水为工质，将低温水自吸热管路一端注入，水在沿管路轴向行进过程中吸热逐渐升温，达到沸点后变为饱和蒸汽，再继续吸热变为过热蒸汽。
目前的太阳能光热接收装置主要包括槽式太阳能光热的集热器***、菲涅尔阵列槽式的接收装置和塔式的中央接收装置。常见槽式集热器***由多根真空集热器串联组成，如图1所示，常见的真空集热器，随着接收管壁温度变化单位长度损失的热量，很明显外部温度升高，损失量越加明显，例如在管道壁面温度为400℃时，单位长度损失热量为250W/m，该集热器处于静态真空环境中，但随着使用年限的增长，内部真空度下降，热利用效率逐年下降，因真空集热器本身价格昂贵，替换成本也异常高昂；再者因为集热器内部的吸收管尺寸较小，对镜场的曲面反射镜要求很高，同时对曲面镜的安装、支撑曲面反射镜的框架安装及驱动曲面反射镜的精度提出更高的要求，使得槽式太阳能光热太阳岛成本居高不下。对于菲涅尔阵列槽式的接收装置，由于菲涅尔聚光***的结构和跟踪本身原因，接收开口较槽式集热器所需开口要大，聚光倍率稍低；很难实施真空，对应热量损失较大，一般大约为真空集热器单位长度内热量损失的2倍，如何降低传统菲涅尔***损失，提高吸热效率成为重要的研究方向。对于塔式的中央接收装置常见于空腔式接收器，该接受器只能满足某个方向的接收，对于另外方向入射的太阳光无能为力；低成本、简易接收器的开发也在进一步的研究当中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种可应用于太阳能光热应用领域的高效太阳能光热接收装置。
本发明提供了一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述太阳能光热接收装置由密封结构和密封结构内部的太阳能光热接收器组成；所述太阳能光热接收器包括辅吸收换热管道和主吸收换热管道，所述辅吸收换热管道内部换热介质温度低于主吸收换热管道内部的换热介质温度；辅吸收换热管道接收主吸收换热管道释放的热量和/或接收主吸收换热管道未接收的太阳光热量；太阳能光热接收装置通过所述太阳能光热接收器的管道内部流动的换热介质带走热量；实现辅吸收换热管道能够吸收主吸收换热管道散失的热量，提高***热利用效率。
进一步地，所述太阳能光热接收器还包括辅吸收换热管道和主吸收换热管道之间布置的辅助聚光装置，所述辅助聚光装置辅助主吸收换热管道获得更多聚光热量。
优选地，所述辅吸收换热管道贴近所述辅助聚光装置布置，以降低所述辅助聚光装置的温度，减少热辐射、增加对主吸收换热管道散失热量的吸收、延长使用寿命。
进一步地，所述封闭结构包括太阳能光热接收器的辅助聚光装置开口处布置的盖板玻璃、包覆所述太阳能光热接收器背部的覆盖材料和所述太阳能光热接收装置端部挡板，三者形成封闭的空间；会聚的太阳光穿过盖板玻璃进入密封结构内部，入射至辅助聚光装置和吸收换热装置表面。
进一步地，所述辅吸收换热管道与主吸收换热管道在辅吸收换热管道的换热介质流出端与主吸收换热管道的换热介质流入端进行连通。
进一步地，所述封闭结构为两端封闭且内部容纳吸收换热装置和/或辅助聚光装置的一段或多段串联的玻璃管。
优选地，所述密封结构内部处于静态真空状态或动态真空状态，以减少内部的热量损失。
进一步地，所述辅助聚光装置布置于太阳能接收换热器的附近位置，将会聚穿过盖板玻璃或玻璃套管的未直接入射的太阳光再次反射至主吸收换热管道表面；而太阳能接收换热器道接收直接入射和通过再次反射至表面的太阳光转化成热量，输送出***的外部。
进一步地，所述辅吸收换热管道包括多根在辅助聚光装置后部布置的金属管道；该辅吸收换热管道外部温度较低，能吸收主吸收换热管道释放出的热量，从而减少所述太阳能光热接收装置向外部释放的热量，提高***的热利用效率。
进一步地，所述换热介质流经辅吸收换热管道后再流经主吸收换热管道，完成进一步地换热。
进一步地，所述太阳能光热接收器内部流动的换热介质为导热油（导姆油）、熔融盐、水或气体。
进一步地,所述太阳能光热接收装置应用于槽式光热聚光***、菲涅尔阵列式光热聚光***和塔式光热聚光***中。
附图说明
图1是常见真空集热器管壁随温度变化单位长度损失功率变化曲线图；
图2是本发明第一实施例的太阳能光热接收装置结构横截面示意图；
图3是本发明第二实施例的太阳能光热接收装置结构横截面示意图；
图4是本发明第三实施例的太阳能光热接收装置结构横截面示意图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明。
图2是本发明第一实施例的太阳能光热接收装置结构横截面示意图。如图2所示，太阳能光热接收装置由密封结构1和密封结构1内部的太阳能光热接收器2组成；所述太阳能光热接收器2包括辅吸收换热管道17和主吸收换热管道16，所述辅吸收换热管道17内部换热介质温度低于主吸收换热管道16内部的换热介质温度；辅吸收换热管道17接收主吸收换热管道16释放的热量和/或接收主吸收换热管道16未接收的太阳光热量；太阳能光热接收装置通过太阳能光热接收器2内部流动的换热介质带走热量；在太阳能光热接收器2还包括辅吸收换热管道17和主吸收换热管道16之间布置的辅助聚光装置3，辅助聚光装置3辅助主吸收换热管道16获得更多聚光热量。太阳能光热接收装置为线性太阳能接收装置，由至少一个所述线性太阳能光热接收器组成，布置在线性聚光***的焦线位置。封闭结构1包括太阳能光热接收器的辅助聚光装置3开口处布置的盖板玻璃14、包覆所述太阳能光热接收器背部的覆盖材料15和所述太阳能光热接收装置端部挡板，三者形成封闭的空间；该封闭结构1的内部空间通过填充清洁空气或者惰性气体，使封闭结构1的内部空间处于微正压状态，减少灰尘进入密闭***内部的概率；会聚的太阳光穿过盖板玻璃14进入密封结构1内部，入射至辅助聚光装置3和主吸收换热管道16表面。辅助聚光装置3布置于主吸收换热管道16的附近位置，将会聚穿过盖板玻璃14的未直接入射的太阳光再次反射至主吸收换热管道16表面；而主吸收换热管道16接收直接入射和通过再次反射至表面的太阳光转化成热量，输送出***的外部。辅吸收换热管道17为多个阵列布置的金属细管；例如布置于辅助聚光装置3后部的阵列的金属细管103和金属细管105；优选地，辅吸收换热管道17的管道表面设置有翅片结构，更加便利地吸收主吸收换热管道16释放的热量；辅吸收换热管道17内的换热介质温度低于与所述主吸收换热管道16内的换热介质温度；使得辅吸收换热管道17能吸收主吸收换热管道16释放出的热量，降低太阳能光热接收器后部区域的温度，从而减少光热接收装置向外部释放的热量，所述换热介质流经辅吸收换热管道后，吸收了部分主吸收换热管道散失的热量，温度升高；该换热介质再流经主吸收换热管道，接收汇聚太阳光的能量进一步升高温度并换热输出。由于一般太阳岛的换热循环***中换热介质入口温度远低于出口温度，此设计可以使所述换热器与环境之间的大部分保温界面温差得以大幅降低；同时，由于辅助聚光装置3紧靠低温的辅吸收换热管道17，从而可以保持较低的温度，不但能够有效延长所述辅助聚光装置3的可靠性和使用寿命，还能降低该辅助聚光装置的热辐射量；综合下来，提高***的整体效率。进一步地，该太阳能光热接收装置内部流动的换热介质为导热油（导姆油）、融盐体系、水或气体（空气、压缩空气或惰性气体）；优选地，所述换热介质为水，在太阳能光热接收装置内部实现相变换热，在***内部直接完成蒸汽的发生（DSG）。另外，太阳能光热接收器的辅吸收换热管道后部布置有隔热保温装置，具体在金属细管阵列的外部布置具有低热导率和耐高温的隔热保温材料18，例如气凝胶绝热材料，以进一步隔绝热量向***外部释放。另外，该实施例中，换热介质从辅吸收换热装置的入口端流入，到达辅吸收换热装置的末端后进入附近的主吸收换热装置的入口端，与辅吸收换热装置平行但折返流回到主吸收换热装置的末端，辅吸收换热装置入口端与主吸收换热装置的末端相邻，可以实现太阳能光热接收装置的换热介质在相近位置输入和输出，减少管道布置成本、降低热损失、方便***参数的管控调节。本发明可实现对太阳能光热的高效吸收：初步估计，辅吸收换热管道17能接收主吸收换热管道16释放热量的40%以上的能量（传统结构中这部分能量会穿过隔热保温装置后散失到环境中），在常见的DSG接收装置中，假定主吸收换热管道16能正常接收装置总热量的85%，直接损失的热量占总***热量的15%，因辅吸收换热管道17能接收损失热量的40%，即能回收占总***热量的6%，粗略估计相当于提高了太阳能光热接收装置的总体接收能力6%；在正常运行20年中能获得非常不错的回报。
图3是本发明第二实施例的太阳能光热接收装置结构横截面示意图；如图3所示，太阳能光热接收装置，包括密封结构301，密封结构301内部的太阳能光热接收器302和辅助聚光装置303；该太阳能光热接收器302包括辅吸收换热管道317和主吸收换热管道316；实施同一侧的换热介质输入和输出。该封闭结构301为两端封闭且由一段或多段串联组成的玻璃管315，；会聚的太阳光穿过玻璃管315进入密封结构301内部，入射至辅助聚光装置303和主吸收换热管道316表面。优选地，由于玻璃管具有良好的机械承压能力，该密封结构301内部处于真空状态或动态真空状态，以进一步减少内部的热量损失。辅助聚光装置303布置于主吸收换热管道316的附近位置，将会聚穿过玻璃管315的未直接入射的太阳光再次反射至主吸收换热管道316表面；而主吸收换热管道316接收直接入射和通过再次反射至表面的太阳光转化成热量，输送出***的外部。辅吸收换热管道317包括多根沿辅助聚光装置303阵列平行布置的金属细管，例如金属细管307和金属细管309；该辅吸收换热管道317外部温度较低，能吸收较多主吸收换热管道316释放出的热量，降低隔热保温材料318的隔热温差，从而减少***向外部释放的热量，***的热利用效率。在金属细管阵列的外部布置具有低热导率和耐高温的隔热保温材料318，例如气凝胶绝热材料，以隔绝热量向***外部释放。
图4是本发明第三实施例的太阳能光热接收装置结构横截面示意图。图4示意图该太阳能光热接收装置应用于槽式光热聚光***的实施例，传统的槽式光热聚光***，由多根真空集热管相互串联布置获得和传输能量；单根真空集热管的成本高昂，且很难保证长时间，尤其是在电厂的设计运行年限（一般为25年）的时间内保持高效的真空状态，势必引起真空集热管随着使用时间的延伸，散热量逐年增加；在槽式聚光***中，光学***的有效接收宽度为玻璃管内部金属吸热管的直径，因此对曲面反射镜的制造和安装提出了很高的要求，其接收范围的狭窄和逐年的热量损失对高精度的生产和安装、镜场框架的安装和镜面的追日跟踪提出更高的要求，综合作用下造成太阳岛整体成本居高不下；如图4所示，实施例的太阳能光热接收装置包括封闭结构401、封闭结构401内部的太阳能光热接收器402；该太阳能光热接收器402包括辅吸收换热管道417和主吸收换热管道416；辅吸收换热管道417与主吸收换热管道416相邻平行布置；辅吸收换热管道417和主吸收换热管道416通过内部流动的换热介质带走热量；封闭结构401为两端封闭且内部包覆太阳能光热接收器402的玻璃管；封闭结构401的内部空间处于常压或微正压状态或者所述密封结构内部处于静态真空状态或动态真空状态；该实施例的太阳能光热接收装置中，光学设计依然将主吸收换热管道416作为聚光焦点，当由于反射镜精度和/或支架精度和/或跟踪精度不足的原因，致使汇聚光线偏离并超出主吸收换热管道416的直径a的范围时，超出的那部分光线只要还处在辅吸收换热管417阵列开口范围b以内，就可以被辅吸收换热管417接收，从而将太阳能光热接收装置的有效光学接收开口宽度变大（由a变为b,如图4所示，主吸收换热管416直径为a和辅吸收换热管道417阵列开口宽度为b），同时辅吸收换热管道417还可在环状空间的大部分扇区吸收主吸收换热管道416外表释放出来的热量，很好地综合提高***的热利用效率，即使在***的真空度发生下降或常压状态的情况下，也能提升集热器的整体热利用效率；另外还可在辅吸收换热管道417、主吸收换热管道416之间加入辅助聚光装置，进一步提高主吸收换热管道的聚光能力。在金属细管阵列的外部布置具有低热导率和耐高温的隔热保温材料418，例如气凝胶绝热材料，以隔绝热量向***外部释放。本设计可以使有效光学接收开口宽度增大，降低槽式光热镜场***的光学会聚精度要求，即提高了曲面镜加工容差范围、镜场安装容差范围和太阳光跟踪会聚的容差范围，能实现降低整个太阳岛的成本的目的。
该太阳能光热接收装置应用于菲涅尔阵列式光热聚光***，良好地克服菲涅尔阵列式镜场较槽式光热聚光***稍弱的会聚光能力，以及因太阳能光热接收装置难以整体处于真空状态造成大于槽式光热聚光***的散热损失问题；在保证菲涅尔阵列***良好的综合热量接收效率的同时，使菲涅尔阵列式光热聚光***的占地面积小、抗风能力强、造价低、跟踪简单、建设运维成本低的优势得到更好发挥。
该太阳能光热接收装置能应用于塔式聚光接收装置中，增加***容错能力的同时，能有效提高热能接收效率。
显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说可以预见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所述的权利要求书进行限定。

Claims (13)

1.一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述太阳能光热接收装置由密封结构和密封结构内部的太阳能光热接收器组成；所述太阳能光热接收器包括辅吸收换热管道和主吸收换热管道，所述辅吸收换热管道内部换热介质温度低于主吸收换热管道内部的换热介质温度；辅吸收换热管道接收主吸收换热管道释放的热量和/或接收主吸收换热管道未接收的太阳光热量；太阳能光热接收装置通过所述太阳能光热接收器的管道内部流动的换热介质带走热量。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述太阳能光热接收器还包括辅吸收换热管道和主吸收换热管道之间布置的辅助聚光装置，所述辅助聚光装置辅助主吸收换热管道获得更多聚光热量。
3.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述太阳能光热接收装置为线性太阳能接收装置，由至少一个所述线性太阳能光热接收器组成，布置在线性聚光***的焦线位置。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述辅吸收换热管道为多个阵列布置的金属细管。
5.根据权利要求3所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于；所述换热介质流经辅吸收换热管道后再流经主吸收换热管道。
6.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，在所述的辅吸收换热管道后部布置有隔热保温装置。
7.根据权利要求2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述辅吸收换热管道贴近所述辅助聚光装置布置。
8.根据权利要求2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述密封结构包括太阳能光热接收器的辅助聚光装置开口处布置的盖板玻璃、包覆所述太阳能光热接收器背部的覆盖材料和所述太阳能光热接收装置端部挡板，三者形成封闭的空间。
9.根据权利要求2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述密封结构为两端封闭且由一段或多段串联组成的玻璃管。
10.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述密封结构的内部空间处于微正压状态。
11.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述密封结构内部处于静态真空状态或动态真空状态。
12.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述太阳能光热接收器内部流动的换热介质为导热油、熔融盐、水或气体。
13.根据权利要求1所述的一种太阳能光热接收装置，其特征在于，所述太阳能光热接收装置应用于槽式光热聚光***、菲涅尔阵列式光热聚光***和塔式光热聚光***中。
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