CN114353345A - 一种超超临界塔式太阳能吸热器 - Google Patents
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Abstract
一种超超临界塔式太阳能吸热器，包含格栅热板均流屏、管排和石墨填充层。格栅热板均流屏由多块格栅热板（平板式热管）拼装而成，格栅热板内包含吸液芯和格栅，格栅热板内部充装相变工质（如钠、钾、锂等）并抽成真空状态。太阳光被反射聚集至均流屏上，相变工质在格栅热板的蒸发面上吸热蒸发，并在冷凝面进行冷凝，通过格栅冷凝回流至吸液芯上，形成稳定的两相流，从而实现高效传热，将表面热流密度均匀化，使格栅热板均流屏表面温差大幅度减小，减少热应力。热量通过石墨填充层传递至埋入石墨中的管排，由管排中的传热介质（水）带走。本发明提出的这种吸热器结构能够使水加热至超超临界状态，大大提高了运行参数以及发电效率。
Description
技术领域
本发明属于太阳能高温热利用技术领域，具体涉及一种超超临界塔式太阳能吸热器。
背景技术
近年来，我国已经成为世界上最大的能源生产国和消费国，社会的发展对能源的依赖空前增大。然而，传统能源(化石燃料等)都是不可再生的，其储量在自然界中都是有限的，并且传统化石燃料消耗所带来的环境问题(如温室效应、产生雾霾等)正严重威胁着自然界以及人类社会的和谐健康发展。而太阳能因其广泛性、可再生性、清洁性以及能量大等特点引起了广泛的关注，并且聚光太阳能发电技术被认为最有可能代替传统煤油发电的技术之一，其中太阳能塔式发电***具有能够更适应达到较高的温度，光热转换效率高以及聚光比高等特点，具有很大的前景。然而作为塔式太阳能的关键部件吸热器，因为其在不均匀以及高能流密度作用下会导致吸热面受热不均和局部过热，进而出现热疲劳、热棘轮等问题，如何保证吸热器能够稳定又高效的运行已经成为现在塔式太阳能发电***的关键技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种超超临界塔式太阳能吸热器。该装置光热转换效率高，换热效率高，安装方便，能够很好的承受高热流密度下的热载荷和热冲击，能解决现有平板式吸热器受热面受热不均，局部过热而引起的热疲劳、热棘轮等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于，包括：多块格栅热板均流屏、多组管排和石墨填充层；所述格栅热板均流屏由相互独立的多块格栅热板拼装而成，太阳光被反射聚集至格栅热板均流屏上，通过格栅热板内部的相变工质发生相变进行传热，热量通过石墨填充层传递至埋入石墨填充层中的管排，并由传热介质流经管排带走。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，所述格栅热板包括吸热板、金属纤维毡、金属丝网、格栅、封板和中间隔板，所述吸热板的蒸发面一侧依次设有金属纤维毡、金属丝网、格栅和中间隔板，所述金属纤维毡紧贴吸热板的蒸发面，所述金属丝网覆盖在金属纤维毡的表面，金属纤维毡和金属丝网共同组成吸液芯，所述格栅直接连接在中间隔板的冷凝面上，并且倾斜延伸至金属丝网上；格栅热板四周由封板封装，格栅热板内部充装相变工质并抽成真空状态。
进一步地，所述金属丝网和金属纤维毡点焊在吸热板的蒸发面上，所述格栅通过3D打印技术直接连接在中间隔板上。
进一步地，所述格栅由均匀分布在中间隔板上的多个V字形网格组成，所述V字形网格的纵截面呈V字形，V字形网格与水平面具有一定的倾斜角度，使得相变工质能够通过格栅冷凝回流至吸液芯，各V字形网格之间留有空隙。
进一步地，所述相变工质为液态金属钠、液态金属钾、液态金属锂或者液态金属合金。
进一步地，每块格栅热板均流屏对应于一组管排，热量通过石墨填充层传递至埋入石墨填充层中的各组管排，产生超超临界过热蒸汽。
进一步地，每组管排都分为预热管排和混合管排，所述预热管排由多根预热管组成，所述混合管排由多根预热管和多根过热管间隔排布组成；超超临界压力下的水先依次经过多组混合管排的预热管，然后依次经过多组预热管排的预热管，产生饱和蒸汽汇总至汇总管，并通过汇总管分别通入多组混合管排的过热管进行过热，各组混合管排的过热管所产生的超超临界过热蒸汽汇总后输出。
进一步地，所述混合管排中，预热管和过热管采用载热补偿型布置，使得每根过热管旁均有预热管补偿，其中，过热管的直径大于预热管。
进一步地，所述管排的材质为T22、T23或12Cr1MoVG钢。
进一步地，所述石墨填充层填充在管排与格栅热板之间以及管排与塔式太阳能吸热器的内筒壁之间，石墨填充层采用石墨粉或石墨混合物。
本发明的有益效果是：
1)相变工质采用液态金属钠、钾、锂以及相关合金，液态金属钠具有工作温度范围广，粘度低，传热效率高等特点，能够在更高的热流密度下运行，提高了吸热器的传热性能，并且其熔点较低，启动迅速；此外，热板结构相较于筒状结构承压能力较差，金属钠饱和蒸气压较低满足要求。
2)基于热管高效传热原理，采用间接传热方式，避免了太阳光直接照射，解决由于直接传热造成的热应力所带来的热疲劳、热棘轮等问题，很好的延长了格栅热板的使用寿命。
3)V字形网格格栅的回流作用配合吸液芯的毛细作用，使冷凝回流的液态相变工质能够更加均匀的分布在吸热板的蒸发面，使得吸热面具有更良好的等温性能，防止局部过热带来的问题，进一步延长了格栅热板的寿命；格栅的设计使得大空间蒸发冷凝循环单元化，增加了冷凝传热面积，液态相变工质的冷凝回流路径缩短，格栅热板均温性能得到大幅度提升。
4)管排与格栅热板均流屏和内筒壁之间填充石墨粉或者石墨混合物，利用石墨耐高温，高导热系数等特点能够稳定加强换热效果，以及石墨对金属表面有良好的附着力，可以有效防止管道被氧化。
5)本发明所提出的吸热器结构能够使水加热至超超临界状态，大大提高了运行参数以及发电效率；此外，格栅热板容易实现标准化，每一个格栅热板均作为单独的元件，工作时互不干涉，可以单独进行维修更换，安全性能更好，维修拆装方便。
附图说明
图1为本发明的超超临界塔式太阳能吸热器外形图。
图2为本发明的格栅热板分解图。
图3为本发明的格栅热板内格栅外形图。
图4为本发明的格栅热板均流屏纵剖图。
图5为本发明的石墨间隙填充示意图。
图6为本发明的超超临界塔式太阳能热发电***管道流程示意图。
图7为本发明的预热管排流向示意图。
图8为本发明的混合管排的载热补偿型布置示意图。
附图标记如下：1-格栅热板均流屏，1.1-吸热板，1.2-金属纤维毡，1.3-金属丝网，1.4-格栅，1.4.1-V字形网格，1.5-封板，1.6-中间隔板；2-管排，2.1-预热管，2.2-预热管汇总支管，2.3-过热管汇总支管，2.4-过热管；3-石墨填充层；4-内筒壁。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图4所示，一种超超临界塔式太阳能吸热器，由格栅热板均流屏1、管排2以及石墨填充层3组成。格栅热板均流屏1由多块格栅热板拼装而成，聚集的太阳光照射在格栅热板均流屏1的格栅热板上。格栅热板采用热管高效传热原理，具有反应迅速，传热性能良好，等温性能优越，稳定性高等特点，同时结合间接传热方式，能够有效解决直接传热带来的巨大温差而引起的热应力、热疲劳等问题。
如图1和图2所示，在工作过程中，通过定日镜聚集的高热流密度太阳能照射在格栅热板的吸热板1.1上，吸热板1.1外表面涂有耐高温的吸光涂层，通过吸热板1.1吸热升温将热能传递至格栅热板内部，液态金属钠(或钾、锂以及相关合金)吸收热量后蒸发，并在中间隔板1.6的冷凝面上进行冷凝并放出大量热量，冷凝后的液态钠通过格栅1.4的倾斜方向回流至金属纤维毡1.2以及金属丝网1.3上，形成稳定的两相流，从而实现高效相变传热，并且由于金属纤维毡1.2的毛细作用可以将冷凝回流的液态金属钠更加均匀地分布在吸热板1.1的内壁面即蒸发面上，将格栅热板均流屏1表面的热流密度均匀化，使得格栅热板均流屏1表面温差大幅度减小，使得格栅热板的吸热面具有更好的等温性能，减少由受热不均引起的热应力对吸热器的损害。冷凝放出的热量通过中间隔板1.6继续传向石墨填充层3，之后传递至埋入石墨填充层3中的管排2，由传热介质带走热量。
如图2所示，格栅热板由吸热板1.1、金属纤维毡1.2、金属丝网1.3、格栅1.4、封板1.5、中间隔板1.6和液态金属钠等组成，金属纤维毡1.2紧贴吸热板1.1的内表面，用金属丝网1.3覆盖在金属纤维毡1.2上，并用镍片将金属丝网1.3和金属纤维毡1.2点焊在吸热板1.1内表面；格栅1.4采用3D打印技术直接连接在中间隔板1.6的冷凝面上，并且倾斜延伸至金属丝网1.3上。通过液态金属钠的相变过程可以将大量的热量迅速传递，液态金属钠具有工作温度范围广，粘度低，低熔点，高沸点，传热效率高，饱和蒸气压低等特点。相变工质还可换成钾、锂以及相关合金，充装率为工作条件下格栅热板容积的40％。此外，格栅热板内部为真空状态，可以避免内部材料被氧化等问题。
如图2所示，吸热板1.1、金属纤维毡1.2、金属丝网1.3、格栅1.4、封板1.5、中间隔板1.6的材料均为不锈钢或高温镍基合金等与金属钠相容的材料，液态金属具有较高的沸腾温度以及优良的传热性能，允许在更高的热流强度下运行，但对封装的材料具有相容性要求。
如图2和图3所示，格栅1.4由具有倾斜角度的V字形网格1.4.1组成，V字形网格1.4.1的纵截面呈V字形，两侧为对称的矩形片结构，整体犹如一本翻开的书页。V字形网格1.4.1相对于水平面具有一定的倾斜角度θ(10～20v)，并且每个V字形网格1.4.1之间留有空隙，使得网格之间相互连通，汽化后的相变工质能够在格栅热板内部快速自由流动，且四周有封板1.5进行固定。倾斜角度的设计目的在于通过重力的作用能够使得冷凝的液态钠更快的回流至吸液芯(由金属纤维毡1.2和金属丝网1.3组成)上，V字形网格1.4.1的设计目的在于使得每个V字形网格1.4.1内的钠蒸汽进行无数个微热管循环，V字形流道的横向流动阻力更小。将大空间蒸发冷凝循环单元化，增加了冷凝传热面积，液态钠冷凝回流路径缩短，使得冷凝回流的液态钠能够更加均匀地回流分布至吸液芯上，从而使得吸热板1.1的等温性能得到大幅度提升。
如图4和图5所示，格栅热板均流屏1由多块格栅热板组成，每块格栅热板均流屏1对应一组管排2，格栅热板均流屏1与管排2以及内筒壁4之间填充石墨，由于石墨的高导热系数能够增强预热管2.1和过热管2.4内传热介质的换热效果，并且石墨对金属表面有良好的附着力，可以有效防止管道被氧化。
如图6、图7和图8所示，管排2由预热管2.1、过热管2.4、汇总管和传热介质等组成；根据作用不同，管排2分为预热管排和混合管排，预热管排由多根预热管2.1组成，混合管排由多根预热管2.1和多根过热管2.4组成。所有预热管组均为串联连接，从上一管排流入至下一管排，经过多组管排后产生超临界状态下的饱和蒸汽汇总至汇总管，分别通入至每组混合管排的过热管2.4中进行过热。由于过热蒸汽载热能力弱，过热管2.4与预热管2.1采用载热补偿型布置，使得每根过热管2.4左右两侧均有预热管2.1进行补偿，传热介质为超超临界压力下的水，由于水的比热容大，传热能力强，采用高压水泵提高水的压力，达至超超临界压力(27MPa及以上)；当水经过多组管排产生饱和蒸汽后，载热能力下降，经过过热管2.4温度急剧升高，容易致使过热管2.4发生爆管等危险，这种载热补偿型布置可以有效地弥补这一缺点。***整体的管路密封性以及管路的材料都有很严格的标准，管排2采用T22、T23、12Cr1MoVG钢等耐高温承压材料。
图中所示的具体实施例中，每组预热管排由三根预热管2.1组成，每组混合管排由三根预热管2.1和三根过热管2.4组成，具体管数可根据实际需求进行增减；由高压水泵将水的压力提高至超超临界压力，分东西两侧管排，先进入m组混合管排的预热管2.1，后继续流入预热管排中的预热管2.1，共计经过n组管排2后，超超临界压力下的水产生饱和蒸汽汇总至汇总管。通过汇总管将产生的饱和蒸汽通入至并联的过热管组，进行过热产生超超临界过热蒸汽，汇总后输出用于推动汽轮机发电。
如图7所示，每组预热管排中，三根预热管2.1连通在上下两根预热管汇总支管2.2之间，一侧的预热管汇总支管2.2用于上一管排流入，另一侧的预热管汇总支管2.2用于流出至下一管排，预热管排之间串联。
如图8所示，每组混合管排中，三根预热管2.1连通在上下两根预热管汇总支管2.2之间，一侧的预热管汇总支管2.2用作水进口，另一侧的预热管汇总支管2.2用作水出口；三根过热管2.4连通在上下两根过热管汇总支管2.3之间，一侧的过热管汇总支管2.3用作蒸汽进口，从汇总管流入蒸汽，另一侧的过热管汇总支管2.3用作过热蒸汽出口。混合管排中预热管2.1与过热管2.4采用载热补偿型布置，预热管2.1与过热管2.4间隔排布；产生的饱和蒸汽进入过热管2.4进行过热的过程中，体积急剧膨胀，温度升高很快，为防止过热管2.4爆管，采用载热补偿型布置，过热管2.4的直径要远大于预热管2.1的直径。
如图5、图7和图8所示，预热管2.1与过热管2.4的管间间隙处填充石墨粉或石墨混合物，石墨与高温导热胶混合填充在格栅热板均流屏1、各组管排2和内筒壁4的间隙处进行封装；石墨具有高导热系数能够稳定增强多排预热管2.1以及过热管2.4内传热介质的换热效果，石墨对金属表面有良好的附着力，可以有效防止多排预热管2.1和过热管2.4被氧化。
如图1所示，每一块格栅热板均流屏1上的格栅热板均作为单独的吸热元件，单独工作互不影响，损坏维修时可以进行单独拆卸更换，且格栅热板均流屏1之间也互不影响，在工作中具有更好的安全性能和稳定性能，很大程度上降低了维修成本。
综上，本发明基于热管高效传热原理，采用间接传热方式，相变工质在格栅热板内的格栅中进行微热管循环，能够使冷凝回流的相变工质更加均匀的分布在吸热板的蒸发面上，使得格栅热板的吸热面具有良好的等温性能，能够承受高热流密度的热载荷，能够防止由于局部过热带来的热疲劳等问题，延长了吸热器的使用寿命。与其他类型太阳能吸热器一样，采用了相变传热原理，不同的是吸热器内部相变工质采用了高温液态金属钠、钾、锂以及相关合金。利用液态金属钠的相变传递热量，热量传递至石墨填充层，然后继续传至埋入石墨中的管排，由传热介质(水)流经管排将热量带走，避免了太阳光照直接照射提供热量，进一步解决了受热不均问题。并且本发明设计采用间隙填充的方法，将石墨填充至管排的间隙处，由于石墨具有高导热系数能够进一步增强预热管以及过热管内传热介质的换热效果，且由于石墨对金属表面具有良好的附着力，能够有效地防止管道被氧化。这样的吸热器结构能够使水加热至超超临界状态，大大提高了运行参数以及发电效率。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于，包括：多块格栅热板均流屏(1)、多组管排(2)和石墨填充层(3)；所述格栅热板均流屏(1)由相互独立的多块格栅热板拼装而成，太阳光被反射聚集至格栅热板均流屏(1)上，通过格栅热板内部的相变工质发生相变进行传热，热量通过石墨填充层(3)传递至埋入石墨填充层(3)中的管排(2)，并由传热介质流经管排(2)带走。
2.如权利要求1所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：所述格栅热板包括吸热板(1.1)、金属纤维毡(1.2)、金属丝网(1.3)、格栅(1.4)、封板(1.5)和中间隔板(1.6)，所述吸热板(1.1)的蒸发面一侧依次设有金属纤维毡(1.2)、金属丝网(1.3)、格栅(1.4)和中间隔板(1.6)，所述金属纤维毡(1.2)紧贴吸热板(1.1)的蒸发面，所述金属丝网(1.3)覆盖在金属纤维毡(1.2)的表面，金属纤维毡(1.2)和金属丝网(1.3)共同组成吸液芯，所述格栅(1.4)直接连接在中间隔板(1.6)的冷凝面上，并且倾斜延伸至金属丝网(1.3)上；格栅热板四周由封板(1.5)封装，格栅热板内部充装相变工质并抽成真空状态。
3.如权利要求2所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：所述金属丝网(1.3)和金属纤维毡(1.2)点焊在吸热板(1.1)的蒸发面上，所述格栅(1.4)通过3D打印技术直接连接在中间隔板(1.6)上。
4.如权利要求2所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：所述格栅(1.4)由均匀分布在中间隔板(1.6)上的多个V字形网格(1.4.1)组成，所述V字形网格(1.4.1)的纵截面呈V字形，V字形网格(1.4.1)与水平面具有一定的倾斜角度，使得相变工质能够通过格栅(1.4)冷凝回流至吸液芯，各V字形网格(1.4.1)之间留有空隙。
5.如权利要求2所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：所述相变工质为液态金属钠、液态金属钾、液态金属锂或者液态金属合金。
6.如权利要求1所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：每块格栅热板均流屏(1)对应于一组管排(2)，热量通过石墨填充层(3)传递至埋入石墨填充层(3)中的各组管排(2)，产生超超临界过热蒸汽。
7.如权利要求6所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：每组管排(2)都分为预热管排和混合管排，所述预热管排由多根预热管(2.1)组成，所述混合管排由多根预热管(2.1)和多根过热管(2.4)间隔排布组成；超超临界压力下的水先依次经过多组混合管排的预热管(2.1)，然后依次经过多组预热管排的预热管(2.1)，产生饱和蒸汽汇总至汇总管，并通过汇总管分别通入多组混合管排的过热管(2.4)进行过热，各组混合管排的过热管(2.4)所产生的超超临界过热蒸汽汇总后输出。
8.如权利要求7所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：所述混合管排中，预热管(2.1)和过热管(2.4)采用载热补偿型布置，使得每根过热管(2.4)旁均有预热管(2.1)补偿，其中，过热管(2.4)的直径大于预热管(2.1)。
9.如权利要求1所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：所述管排(2)的材质为T22、T23或12Cr1MoVG钢。
10.如权利要求1所述的一种超超临界塔式太阳能吸热器，其特征在于：所述石墨填充层(3)填充在管排(2)与格栅热板之间以及管排(2)与塔式太阳能吸热器的内筒壁(4)之间，石墨填充层(3)采用石墨粉或石墨混合物。
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