一种集热模块、集热装置及塔式太阳能发电系统

摘要

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体公开了一种集热模块、集热装置及塔式太阳能发电系统。其中集热模块包括密封箱体，密封箱体包括位于密封箱体前侧的吸热板、垂直连接于吸热板上端的上端板以及垂直连接于吸热板下端的下端板，上端板和下端板相对吸热板对称设置，上端板和下端板均设置有集热凹槽和类环状的密封凹槽，集热凹槽位于密封凹槽的内侧，集热凹槽的槽底开设有至少一个通气孔，上端板的通气孔与下端板的通气孔一一对应连通。本发明提供的集热模块、集热装置和塔式太阳能发电系统，能够提高集热模块的模块化加工，简化集热装置和塔式太阳能发电系统的搬运和组装，降低集热装置和塔式太阳能发电系统的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术领域，具体涉及一种集热模块、集热装置及塔式太阳能发电系统。

背景技术

随着社会发展对能源需求的急剧增加，太阳能作为一种清洁、可再生能源得到越来越广泛的应用。太阳能发电有光伏发电和热发电两种形式，太阳能热发电技术是通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳直射光的能量聚集起来，加热公知，产生高温高压的蒸汽，以蒸汽驱动汽轮机发电。

塔式太阳能发电系统是太阳能热发电技术中应用较为广泛的一种，其在发电站地面布置大量的定日镜形成定日镜场，在定日镜场中的适当位置处建立一座集热塔，集热塔顶端设置集热装置。各定日镜军使太阳光聚焦呈点状，集中射到集热装置上，当集热装置内吸热工质达到高温并通过管道传到至地面上的蒸汽发生器，产生高温蒸汽，由蒸汽驱动发电机组发电。在这一过程中，集热装置的吸热效率对于塔式太阳能发电系统的发电效率有很大的影响。

增大集热装置的吸热效率的方式之一为增大集热装置的集热面积，从而会导致集热装置整体体积增大，不利于集热装置的加工、运输和安装。

发明内容

本发明的一个目的在一提供一种集热模块，简化集热装置的加工、运输和组装，有利于集热装置的模块化设计和加工。

本发明的另一个目的在于提供一种集热装置，简化集热装置的加工、运输和组装，有利于集热装置的模块化设计和加工。

本发明的有一个目的在于提供一种塔式太阳能发电系统，简化塔式太阳能发电系统的结构，方便塔式太阳能发电系统的组装。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种集热模块，所述集热模块包括密封箱体，所述密封箱体包括位于所述密封箱体前侧的吸热板、垂直连接于所述吸热板上端的上端板以及垂直连接于吸热板下端的下端板，所述上端板和所述下端板均设置有集热凹槽和类环状的密封凹槽，所述集热凹槽位于所述密封凹槽的内侧，所述集热凹槽的槽底开设有至少一个通气孔，所述上端板的所述通气孔与所述下端板的所述通气孔一一对应连通。

进一步地，所述密封箱体的横截面为梯形、扇环形、楔形、阶梯状梯形或阶梯状扇环形，且所述密封箱体的前侧宽度大于所述密封箱体的后侧宽度。

进一步地，所述吸热板的表面为波浪状曲面，所述波浪状曲面的波纹竖向或近似竖向设置。

进一步地，所述密封箱体内放置有吸热工质，所述集热模块包括驱动所述吸热工质在所述密封箱体内循环流动的驱动机构，所述驱动机构设置在所述密封箱体上与所述吸热板相对的一侧。

进一步地，所述集热模块还包括进气管与排气管，所述进气管的一端位于所述密封箱体的外侧且连通还原气源，所述进气管的另一端伸入所述密封箱体内，所述排气管的一端位于所述密封箱体的内部上端，所述排气管的另一端位于所述密封箱体的外部上侧。

进一步地，所述上端板的所述通气孔与所述下端板的所述通气孔采用换热管一一对应连通，所述换热管为直管、弯管、螺旋管、蛇形管或盘管中的一种或者多种的组合。

进一步地，所述换热管的外表面设置有翅片或凸起，和/或，所述换热管的内表面设置有粗糙带、凸起或凹槽。

一种集热装置，包括固定框架和设置在所述固定框架内的至少一个集热组，每个所述集热组包括沿其高度方向叠加设置的至少两个如上所述集热模块，相邻两所述集热模块中的一个所述集热模块的所述下端板与另一个所述集热模块的所述上端板密封连接。

进一步地，所述集热组的上端和下端均连接有汇流箱，所述汇流箱与位于其上侧或下侧的所述集热模块的通气孔连通，所述集热组的上端的所述汇流箱与其中一个相邻的所述集热组的上端的所述汇流箱连通，所述集热组的下端的所述汇流箱与其中一个相邻的所述集热组的下端的所述汇流箱连通。

一种塔式太阳能发电系统，包括集热塔，所述集热塔上设置有如上所述的集热装置。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的集热模块，通过在集热模块对称设置上端板和下端板，且上端板和下端板上均设置集热凹槽和密封凹槽，使多个集热模块能够沿集热模块的高度方向密封组装为一体形成集热装置，在增大集热装置的集热面积的同时，有利于集热模块的模块化设置，简化集热装置的加工、组装和搬运；同时，相邻集热模块之间的通气孔能够通过集热凹槽连通，使集热模块中的换热介质能够在多个集热模块中流动，提高换热介质的吸热效率，即提高集热装置的集热效率。

本发明提供的集热装置，通过采用上述的集热模块，能够使多个相同结构的集热模块组装形成集热装置，有利于集热装置的模块化加工，简化集热模块的搬运和组装过程，降低集热模块的加工和组装成本。

本发明提供的塔式太阳能发电系统，通过采用上述的集热装置，能够简化塔式太阳能发电系统的结构，方便塔式太阳能发电系统的组装和拆卸。

附图说明

图1为本发明实施例提供的集热装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的集热组的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的集热模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的密封箱体内循环流道的结构示意图。

图中标记如下：

10－集热组；20－固定框架；

1－集热模块；11－密封箱体；111－吸热板；112－上端板；1121－密封凹槽；1122－集热凹槽；1123－通气孔；113－第一侧封板；114－第二侧封板；12－泵；13－进气管；14－排气管；15－隔板；16－连接板；17－换热管；18－循环流道；181－回流通道；182－泵通道；2－汇流箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触

图1为本发明实施例提供的集热装置的结构示意图，如图1所示，本实施例提供了一种集热装置，其应用于塔式太阳能发电系统中，用于吸收并转换定日镜反射的太阳光能。集热装置包括固定框架20和并排设置在固定框架20内的多个集热组10，固定框架20用于实现集热装置在集热塔中的安装，集热组10用于吸收并转换太阳光能，每个集热组10均采用螺纹等连接方式与固定框架20可拆卸连接。

在本实施例中，固定框架20及每个集热组10均为扇环形或等腰梯形结构，使多个集热组10可以沿固定框架20的周向并排设置并拼接组合成扇环形形状或圆环形状，有利于实现集热装置在集热塔周向上的安装，充分扩大集热装置的吸热面积，从而提高集热装置的吸热效率。在其他实施例中，固定框架20及集热组10也可以为六面体结构或其他不规则的多面体结构等。

在本实施例中，每个集热组10结构均相同，有利于实现集热组10的模块化设计、加工和组装，且能够根据集热塔的尺寸及集热装置的热效率需求，选择集热装置中集热组10的个数，使集热装置的设计更具灵活性和通用性。且多个集热组10并排设置在固定框架20中时，各个集热组10相互不干涉，有利于集热装置的组装和拆卸。

在本实施例中，一个集热装置包括八个沿集热装置的周向并排设置的集热组10，在其他实施例中，每个集热装置中，集热组10的个数可以根据需求任意选择。

图2为发明本实施例提供的集热组10的结构示意图，如图2所示，每个集热组10包括三个沿集热装置的高度方向并排设置的集热模块1，每个集热模块1的结构均相同，且相邻两个集热模块1密封连接为一体，有利于集热模块1的模块化设计和加工，降低集热装置的加工成本，简化集热装置的组装，同时方便集热装置的维修、保养和更换。在其他实施例中，每个集热组10可以包括一个、两个或更多个的集热模块1。

图3为本发明实施例提供的集热模块1的结构示意图，如图3所示，集热模块1包括密封箱体11、设置在密封箱体11内的吸热工质、驱动吸热工质运动的驱动机构、与吸热工质进行热交换的换热组件以及实现集热模块1与固定框架20的固定的固定组件。

具体地，密封箱体11包括位于密封箱体11顶部的上端板112、位于密封箱体11底部的下端板及位于上端板112和下端板之间的侧板合围形成。上端板112、下端板和侧封板合围形成用于放置吸热工质的密闭空间。侧板包括位于密封箱体11前侧的吸热板111，吸热板111用于吸收定日镜反射的太阳光能。侧板还包括位于侧封板两侧的两个第一侧封板113以及位于密封箱体11后侧且与吸热板111相对设置的第二侧封板114。

在本实施例中，密封箱体11为对称结构，即两个第一侧封板113相对吸热板111对称设置，上端板112与下端板相对吸热板对称设置。该种设置，有利于多个集热模块1沿吸热板111的宽度方向并排设置。且优选地，密封箱体11的横截面为等腰梯形、扇环形、阶梯型等腰梯形或阶梯型扇环形结构，且吸热板111位于扇环形结构或阶梯型扇环形结构的外周面上，或位于等腰梯形、集体性等腰梯形的长边一侧，使密封箱体11的前侧宽度大于密封箱体11的后侧宽度，有利于多个集热模块1沿纵向组合形成集热组10后，多个集热组10能够沿横向拼合形成大扇环形或环形的集热装置，在集热塔尺寸不变的情况下，提高集热装置中集热组10的个数，扩大集热装置的吸热面积。

在本实施例中，密封箱体11沿其径向分为第一阶梯部和第二阶梯部，第一阶梯部和第二阶梯部均为等腰梯形或扇环形，第一阶梯部的大端与第二阶梯部部的小端光滑过渡连接，且第一阶梯部的大端宽度小于第二阶梯部的小端宽度，使第一阶梯部部相对第二阶梯部部在两者连接处内凹设置。该种设置方式，有利于在第一阶梯部的两侧设置用于连接固定框架20的连接板15。当两个集热模块1沿周向拼合时，两个集热模块1的第二阶梯部的相对侧相互抵接，两个集热模块1的第一阶梯部的相对侧之间存在一定间隙，用于为密封箱体11上连接的连接板15提供避让空间，避免相邻集热模块1上的结构相互干涉。

在本实施例中，通过在第一阶梯部的两侧设置连接板15，有利于提高连接板15与密封箱体11及固定框架20的连接稳定性和可靠性，避免因集热模块1重量过大而导致连接性能较差的问题。同时，设置相对第二阶梯部内凹的第一阶梯部，能够在保持密封箱体11整体的梯形或扇环形结构的同时，避免相邻集热模块1之间的结构干涉。在本实施例中，连接板15上开设有多个减重孔，用于减轻集热模块1的重量，从而减小整个集热装置的重量。

在本实施例中，集热模块1的上端板112和下端板一方面用于密封密封箱体11，另一方面用于与相邻的集热模块1进行连接，即上端板112与相邻集热模块1的下端板连接，下端板与相邻集热模块1的上端板112连接。即，在本实施例中，优选将上端板112与下端板设置为相同的结构，有利于上端板112和下端板的加工以及相邻集热模块1之间的连接。

具体地，上端板112的外形与密封箱体11的横截面形状相同。上端板112上开设有集热凹槽1122，上端板112的边缘开设有类环状的密封凹槽1121，集热凹槽1122位于密封凹槽1121的内侧，且集热凹槽1122的深度大于密封凹槽1121的深度。当两个集热模块1沿竖向对接时，位于下方的集热模块1的上端板112与位于上方的集热模块1的上端板112的端面抵接，且密封凹槽1121相对设置，密封凹槽1121内用于放置密封装置，实现两个集热模块1之间的密封连接。

集热凹槽1122的槽底开设有多个通气孔1123，同一集热模块1中，上端板112与下端板之间的通气孔1123采用换热管17连通，换热管17中通入换热介质以实现与密封箱体11中吸热工质的热交换。相邻两个集热模块1中，上端板112与下端板之间的通气孔1123通过集热凹槽1122相连通，以实现换热介质在相邻集热模块1之间的流通，增长换热介质在密封箱体11内的流通路径，提高换热介质对吸热工质热量的吸收。

在本实施例中，换热管17与上端板112及下端板均密封连接，避免换热介质进入密封箱体11内影响吸热工质的热吸收，同时防止吸热工质流出密封箱体11中。在本实施例中，密封凹槽1121中的密封装置也能防止换热介质从相邻两集热模块1中泄漏。在本实施例中，密封装置为能够耐受高温的密封结构。

吸热板111用于吸收定日镜反射的高温，在本实施例中，吸热板111的表面为波浪状曲面，有利于减小光线反射，扩大吸热板111的实际吸热面积，从而增大集热模块1的吸热效率。在本实施例中，波浪状曲面的波纹竖直设置或近似竖直设置，在其他实施例中，吸热板111也可以采用横向设置的波浪板结构或倾斜的波浪纹结构。

在本实施例中，吸热工质为设置在密封箱体11内的合金金属，具体地，可以为铅锡合金或铅铋合金，铅锡合金和铅铋合金的熔点范围均为200℃￣300℃，能够吸收吸热板111吸收的太阳能后达到熔融状态，且熔融态的合金在密封箱体11内保持流动，在吸收换热板吸收的热量的同时，将热量传递至换热管17，与换热管17进行热交换，利用换热管17中换热介质的流动带走密封箱体11中的热量并输出集热装置。

熔融后的合金在密封箱体11内保持流动，以提高熔融后合金的热吸收效率以及避免熔融合金受热不均匀，同时，提高熔融合金与换热管17的换热效率。因此，集热模块1中设置有用于驱动熔融合金流动的驱动机构。驱动机构包括泵12和循环流道，泵12为熔融态合金的内部循环提高动力，循环流道为熔融态合金的在密封箱体11内的循环流动提供特定路径。

图4为本发明实施例提供的密封箱体11内循环流道18的结构示意图，如图4所示，密封箱体11内设置有形成循环流道18的多个隔板15，且隔板15沿密封箱体11的横截面平行设置，多个隔板15沿密封箱体11的纵向间隔排列，相邻隔板15之间形成有熔融态合金流动的流道，且多个隔板15形成连续S型的回流通道181，连续S型的回流通道181的下端流体出口与上端流体入口通过泵通道182连通，熔融合金在泵12在作用下从下端流体出口进入泵通道182向上流动至上端流体入口，从上端流体入口经连续S型的回流通道181后回流至下端流体出口，实现熔融合金在密封箱体11内的流动循环，有利于增加熔融合金的流通路径，降低熔融合金的流动阻力，提高熔融金属与换热管17的换热效率。

在本实施例中，泵12设置在密封箱体11的第二侧封板114上，有利于避免泵12的设置对相邻集热模块1之间连接的干扰。同时泵12不低于密封箱体11上端板112的位置，有利于使熔融合金的循环流动扩展至整个密封箱体11内部空间，提高熔融合金的吸热均匀性和与换热管17的换热效率。

由于高温、氧化等原因，铅锡合金或铅铋合金会在密封箱体11中被氧化并形成有氧化屑，氧化屑漂浮于熔融合金的上层，不利于熔融合金对于热量的吸收，且会增加熔融合金的流动阻力，降低熔融合金的换热效率。因此，为降低密封箱体11中氧化屑的含量，集热模块1中还设置有还原机构，用于对氧化屑进行还原。

还原机构包括进气管13、排气管14及还原气源。还原气源为能够使氧化屑还原为金属的还原性气体，如氢气，具体公式如下：

PbO₂+2H₂＝Pb+2H₂O

SnO₂+2H₂＝Sn+2H₂O

Bi₂O₃+3H₂＝2Bi+3H₂O

进气管13用于将还原气源通入密封箱体11中，其进气口连通还原气源所在的储气罐，出气口伸入密封箱体11内部，且优选地，进气口位于第二密封板的上端，有利于避免进气管13的设置对相邻两集热模块1的组装造成干涉。出气口位于密封箱体11下部，有利于使密封箱体11扩大还原气源在密封箱体11中的作用范围，使密封箱体11内部的氧化屑被充分有效还原。

由于还原气源对氧化屑还原的过程中会产生水，水在高温作用下产生水蒸气，排气管14用于将水蒸气排出密封箱体11外部。排气管14管口高度密封箱体11，能使密封箱体11中水蒸气充分有效排出，且能避免密封箱体11中熔融合金经排气管14流出。

换热组件用于与熔融合金进行热交换，换热组件包括设置在密封箱体11内的多个换热管17，换热管17连通同一集热模块1中的上端板112和下端板之间的通气孔1123，实现换热介质在集热模块1中的流通。具体地，换热管17可以为直管、螺旋管、蛇形弯管、盘管等规则形状的管类结构，也可以为不规则形状的管类结构，只要能实现换热管17的两端分别连通上端板112和下端板的通气孔1123即可。且对于一根换热管17，其位于密封箱体11内部的管程越长，换热介质从该换热管17的入气口到出气口之间的流通路径越长，且换热管17与吸热工质的接触面积越大，有利于促进换热管17中换热介质对吸热工质中热量的吸收，提高换热管17中换热工质的换热效率。

进一步地，换热管17的外表面可设置翅片或凸起等结构，以进一步增加换热管17与吸热工质的接触面积，提高换热效率。

进一步地，换热管17的内表面可设置粗糙带、增设凸起和/或开设凹槽，在换热管17内径允许的情况下，可以在换热管17内设置螺旋丝或螺旋片，以对换热管17内换热介质的流动产生扰动，以增加换热管17内换热介质的湍流程度，提高换热管17内换热介质的流通速度，从而提高换热管17的换热效率。

进一步地，可在在第一侧封板113、第二侧封板114、上端板112和/或下端板的内壁上设置保温层，以对密封箱体11内部进行保温，防止热量通过密封箱体11侧壁与空气的热交换而流失。

进一步地，在集热凹槽1122的槽壁上设置保温层，进一步防止换热介质经过集热凹槽1122时产生热量流失。还可以在集热凹槽1122中设置保温件，保温件的两侧分别与相邻两个集热模块1中的一个上端板112和下端板连接。保温件上开设有气孔或插设有气管，用于连通上端板112和下端板的通气孔1123，以实现换热介质通过从一个集热模块1通过保温件进入另一个集热模块1。该种设置方式，在能够实现换热介质在相邻集热模块1之间流通和保温的同时，还能够降低相邻两集热模块1的装配精度要求。

在本实施例中，换热介质为空气。在其他实施例中，换热介质也可以为其他导热率较好的气体。

在本实施例中，通过在密封箱体11的上端板112和下端板上设置集热凹槽1122，连通相邻两个集热模块1之间的换热管17。当多个集热模块1沿其高度方向组合形成集热组10时，可以使换热介质自下而上或自上而下地依次穿过集热组10中的每个集热模块1，在每个集热模块1中均与吸热工质进行热交换，吸收热量，从而增加换热介质的流通路径，实现换热介质的多级换热，增加换热介质从吸热工质中吸的热量，从而当进入集热组10的换热介质的温度一定时，能够大幅提高流出集热组10的换热介质的温度，从而提高集热装置的集热效率，提高集热装置对太阳能的利用率。

如图1所示，每个集热组10的上侧和下侧均设置有汇流箱2，用于对进入或流出集热组10中的换热介质进行汇流。在本实施例中，相邻两个集热组10的上侧汇流箱2或下侧汇流箱2连通，使从一个集热组10流出的换热介质能够进入相邻的集热组10中继续进行流通，进一步增加换热介质的流通路径，提高换热介质的热量吸收率。当集热装置中，所有的集热组10均交错连通时，即位于非两侧位置的集热组10的上侧汇流箱2与相邻一个集热组10的上侧汇流箱2连通，其下侧汇流箱2与相邻的另一个下侧汇流箱2连通，此时，换热介质从一侧的集热组10进入集热装置后，沿S型路径依次经过每个集热组10后流出，最大限度地增加换热介质的换热路径，提高流出集热装置的换热介质的出口温度，增大集热装置的集热效率。

为了控制集热装置的运行，提高集热装置的运行效率，集热装置还包括测量组件和控制器，测量组件与控制器连接。测量组件包括测温组件，测温组件包括设置在密封箱体11上的第一测温装置以及设置在各个汇流箱2或集热装置换热介质出口处的第二测温装置，第一测温装置可以为能够伸入密封箱体11内部的测温管，用于检测熔融合金的温度，第二测温装置用于检测流出各个集热组10的换热介质的温度或流出换热装置的换热介质温度，从而控制器能够根据换热介质的温度及熔融合金的温度，调控各个换热模块中泵12的运行参数。

本实施例还公开了一种塔式集热系统，包括集热塔、定日镜场和蒸汽发电站，集热塔上设置有上述的集热装置，集热装置用于吸收定日镜场中定日镜反射的太阳光能，集热装置中流出的换热介质经管路连通至蒸汽发电站中，与蒸汽发电站中的换热器进行热交换，换热器中的水吸收换热介质中的热量后变成水蒸气，推动汽轮机发电，实现能量的转化运用。

为了实现集热装置在集热塔上的安装，集热塔焊接有多个承接支架，用于集热装置的安装和定位，并承接集热装置的负载。具体地，承接支架上设有用于定位和连接集热装置的凹槽，集热装置的固定框架20的下端位于凹槽内，实现承接支架对固定框架20的定位和固定。

在集热装置的组装过程中，由于每个集热模块1的尺寸和重量较大，可以采用吊装的方式对每个集热模块1依次进行安装固定，有利于提高相邻集热模块1之间的密封性。

塔式集热系统还包括预设在地面的影像系统，通过预先获取定日镜的反射光斑图像，分析集热装置表面温度分布情况，从而根据表面温度分布情况，预设每个集热模块1中泵12的工作参数，以此控制每个集热模块1中吸热工质的流通速度，有利于提高能量利用率，降低能耗，提高工作效率。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。