一种吸热体转动的容积式空气吸热器

摘要

一种吸热体转动的容积式空气吸热器，其吸热器件由多根转动的吸热棒(1)组成。吸热棒(1)由多个吸热筒(11)和转动轴(12)组成。吸热筒(11)为中空的同心圆柱形筒体，由碳化硅泡沫陶瓷一体成型制成。吸热筒(11)的内壁加工有卡槽(13)。转动轴(12)为圆柱体，转动轴(12)的外部有凸起(14)，卡槽(13)和凸起(14)紧密配合。转动轴(12)由致密耐高温陶瓷或耐热合金钢一体成型。转动轴(12)的轴线与吸热筒(11)的轴线重合，吸热筒(11)套在转动轴(12)的外部。本发明可获得温度范围为700℃-1300℃、常压或者1MPa压力以上的高温空气，同时利用自身的显热储热，可用于腔体式非承压和非承压空气吸热器，也可以用于外置圆柱式非承压空气吸热器。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能热发电站用空气吸热器，特别涉及一种容积式空气吸热器。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严 峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。塔式太 阳能热发电系统基本原理是利用众多的定日镜，将太阳辐射反射到置于塔上的太阳能吸热器 上，借助加热工质产生过热蒸汽或高温空气，驱动发电机组，产生电能。高温太阳能吸热器 是塔式太阳能热发电系统的核心部件。国外围绕此项技术进行了诸多研究，主要集中在美国、 德国、西班牙、以色列、澳大利亚、韩国等。其中应用较多的是容积式吸热器，就是一种由 三维基体所构成的接收太阳辐射的吸热体，流过的工作流体与其进行直接的热交换而被加 热。容积式太阳能吸热器通常有一个空心壳体，用于容纳容积式太阳能吸收装置，壳体由玻 璃透光窗覆盖，形成封闭的吸热装置腔体，腔体可以容纳与吸收装置直接接触的工作流体， 工作流体流过吸热装置腔体，经换热将吸收装置获得的热量带走。美国专利4394859公开了 一种以空气为传热流体的柱状金属管式吸热器，该吸热器对金属要求较高，系统复杂，成本 高，而且许用能流密度较低，难以获得高温度的空气。美国专利4777934公布了采用带有粒 子的压缩空气为传热介质的太阳能吸热器，其温度可被加热至700℃，该吸热器无法应用到 更高的温度。美国专利US6668555B1公布了基于吸热器的太阳能发电系统，采用热管式太阳 能吸热器，其传热工质为空气，虽然传热效率较高，但应用于高温需要采用金属钠等物质作 为热管内的相变材料，对安全性要求苛刻。中国专利CN2758657提出了腔式太阳能吸收器， 分为内外两个腔，内腔体临近石英玻璃窗表面涂覆太阳能选择性吸收涂层，并且采用不同的 物质用于传热和蓄热，用于高温场合，但其结构较为复杂。中国专利CN2872208提出了一种 空腔式太阳能吸收器，采用了针管冷却玻璃窗、管状吸热体，管状吸热体的换热表面积小， 传热效率不高，并且采用不同材料作为吸热体与蓄热体，结构复杂。中国专利200710099039.3 公开了一种采用碳化硅蜂窝陶瓷为吸热体的空气吸热器，其吸热体在工作过程中保持不动， 无法主动避开高热流密度加热。中国专利CN101737957A公开了一种吸热体转动式空气吸热 器，其吸热体由三片或者三片以上的碳化硅泡沫陶瓷板一体成型，共用一根转动轴进行转动 吸热，该方案虽然可以克服吸热体在高温、高热流密度下易于破坏的缺点，但在大尺寸应用 过程中对吸热体制备技术要求严格，一旦损坏，需要整片更换。

发明内容

本发明的目的是克服现有空气吸热器内吸热材料在高温、高热流密度下易于破坏的缺 点，提供一种对吸热体工作过程进行转动吸热的空气吸热器。

本发明采用碳化硅泡沫陶瓷作为吸热体，利用碳化硅泡沫陶瓷自身三维多孔结构、吸收 率高、耐高温、高导热的特点进行高效吸热与换热，同时吸热体以一定速度进行转动，从而 避免较高热流密度区在吸热体某一部位长时间加热，避免了局部“热斑”的出现，大大提高了 吸热器的安全性。由于吸热体保持转动，参与接收太阳能的吸热体位置不断变化，吸热体一 直处于部分吸热、部分蓄热的状态，参与吸热的吸热体体积明显增大，其容积效应更为显著。 吸热体同时具备了吸热与蓄热功能，可以在一定时间内避免空气温度的较大波动。相比于现 有基于多孔陶瓷的容积式空气吸热器，本发明将吸热体分成多个独立转动的吸热棒，每个吸 热棒由多个小块的圆筒形吸热单元组成，很好解决了目前吸热体单元间的连接问题，并通过 工作过程中吸热体的旋转吸热，增加参与吸热和换热的吸热体容积，提高换热效率和系统的 安全性。本发明可根据使用要求建造较大容量的空气吸热器，可用于常压和高压系统。

碳化硅泡沫陶瓷耐温超过1600℃，确保了本发明的空气吸热器可用于较高的温度。碳化 硅泡沫陶瓷骨架的导热系数大于30W/(m K)，通过设计孔径大小1－6mm的三维孔隙结构， 可以最大限度吸收投入的太阳辐射能，同时可实现吸热体转动过程中空气沿三维方向流通， 不会由于吸热体转动引起的空气流动阻力的明显增加。碳化硅泡沫陶瓷吸热体的三维孔隙结 构具有较大的比表面积，确保了换热过程中空气与碳化硅泡沫陶瓷吸热体间较高的传热效 率。

本发明的吸热体转动式空气吸热器由多根吸热棒、空气腔、保温层和转动装置等部件组 成，吸热棒位于空气腔内部，保温层包裹在空气腔外表面，转动装置位于保温层外。吸热棒 与转动装置连接，在转动装置电机的带动下周向转动。

吸热棒是所述的吸热体转动式空气吸热器的核心部件。吸热棒为圆柱形棒体，一根吸热 棒由一个或多个吸热筒和一根转动轴组成。多个吸热筒与转动轴具有同一旋转轴，转动轴位 于吸热棒的中心，一个或多个吸热筒套装在转动轴的外部。转动轴和吸热筒均由可耐受 1200℃以上温度的耐高温陶瓷或高温合金等材料制成。吸热筒是接收太阳能和将热量传递给 空气的部件，本发明采用具有三维孔隙结构的碳化硅泡沫陶瓷作为吸热筒的材料。吸热筒为 中空的圆柱形筒体，与转动轴采用卡槽结构进行紧固连接。吸热筒的内壁上加工有卡槽。转 动轴为圆柱体，转动轴的外部有凸起，卡槽和凸起紧密配合。同一转动轴上可套装一个或多 个吸热筒。转动轴的两端与转动装置连接，在转动装置电机的带动下转动，驱动吸热棒周向 转动。

本发明以空气为传热流体，可以布置为腔体式，也可以布置为外置圆柱式。腔体式非承 压空气吸热器、腔体式承压空气吸热器、外置圆柱式非承压空气吸热器的吸热部分均由多根 可转动的吸热棒组成，吸热棒高效吸收太阳能的同时将热量高效传递给流经碳化硅泡沫陶瓷 骨架间的空气。

本发明工作过程如下：

经聚光设备收集的聚光辐射能流投射至转动的碳化硅泡沫陶瓷吸热棒上。由于碳化硅泡 沫陶瓷的三维多孔特征，聚光辐射能流部分被碳化硅泡沫陶瓷表面吸收，太阳能转化为碳化 硅泡沫陶瓷的热能，使得吸收了太阳能的碳化硅泡沫陶瓷部分温度升高。碳化硅泡沫陶瓷具 有很高的导热系数，热量迅速在陶瓷骨架间传导，温度较低的冷空气与温度较高的碳化硅泡 沫陶瓷表面间进行对流传热，由于碳化硅泡沫陶瓷的三维孔隙结构特征，使得空气与吸热体 的传热面积较大，传热效率较高。选择其碳化硅泡沫陶瓷孔径在1-6mm之间。提高孔隙率可 以增加空气与骨架的换热面积，提高空气的传热效率，但孔隙率的提高会减少储热量。合理 选择碳化硅泡沫陶瓷材料和设计孔隙结构是设计的重要因素。另外，转动中的碳化硅泡沫陶 瓷吸热棒，接收聚光辐射能流的部分发挥吸热功能，而未接收部分发挥储热功能，随着转动 过程的进行，对于确定部位的吸热体，其投入表面的聚光辐射能流密度不断发生变化，吸热 与储热功能交替进行。在没有空气流入的情形下，碳化硅泡沫陶瓷吸热体吸收的太阳能全部 转化为碳化硅泡沫陶瓷自身热容量，提高自身温度进行显热储热，适用于空气吸热器的启动 阶段。

本发明结构简单，可按需求设计碳化硅泡沫陶瓷吸热体的孔隙结构，加之调整吸热棒的 转动速度，可实现高效吸收辐射能、高效传热的目的。本发明可以获得温度范围为 700℃-1300℃、常压或1MPa压力以上的高温空气。同时碳化硅泡沫陶瓷吸热棒兼有储热功能， 可以在一定时间间隔内控制空气温度输出参数的波动。

附图说明

图1本发明的吸热棒示意图，其中：图1a吸热棒总体结构示意图，图1b吸热棒中心 剖面图，图1c转动轴横截面图，图1d吸热筒横截面图；

图2本发明的腔体式非承压空气吸热器示意图；

图3本发明的腔体式承压空气吸热器示意图；

图4本发明的腔体式承压空气吸热器系统剖面示意图；

图5本发明的外置圆柱式非承压空气吸热器示意图；

图中：1吸热棒、2辐射投入窗口、3空气腔、4保温层、5转动装置、6聚光辐射能 流、7冷空气、8引风机、9压缩空气入口、10压缩空气出口、11吸热筒、12转动轴、13 卡槽、14凸起、15高压冷空气、16空气压缩机或鼓风机 17压缩空气、18密封保温盖板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明的吸热体转动式空气吸热器由多根吸热棒1、空气腔3、保温层4和转动装置5等部 件组成。吸热棒1位于空气腔3内，吸热棒1与转动装置5连接，转动装置5置于空气腔3外，转 动装置5的电机驱动吸热棒1做周向运动。保温层4包裹在空气腔3外表面。

图1所示为吸热棒1的结构。吸热棒1由一个或多个吸热筒11和一根转动轴12组成，吸热 筒11为中空的同心圆柱形筒体，由碳化硅泡沫陶瓷一体成型而成。吸热筒11的内壁上加工有 卡槽13，如图1d所示。转动轴12为实心或者空心的圆柱体，转动轴12的外表面有凸起14，如 图1c所示。卡槽13和凸起14紧密配合。转动轴12由致密耐高温陶瓷或耐热合金钢一体成型而 成。转动轴12的轴线与吸热筒11的轴线重合，吸热筒11套装在转动轴12的外部，同一根转动 轴12上可套装一个或多个吸热筒11。

图2所示为采用本发明的腔体式非承压空气吸热器。该吸热器由多根吸热棒1、辐射投入 窗口2、空气腔3、保温层4和转动装置5组成，通过转动装置5的作用，吸热棒1可绕转动轴12 进行周向转动。吸热筒11具有较高的辐射吸收率，泡沫陶瓷孔隙大小和孔结构的选择由空气 流场参数和聚光辐射能流的分布情况决定。空气腔3为一耐高温并承受一定空气压力的腔体， 面向太阳光投入侧预留有辐射投入窗口2，辐射投入窗口2为矩形或其他几何形状，其作用为 最大限度地透过聚光辐射能流6。空气腔3留有空气入口和空气出口，供空气的流入与流出。 空气腔3外表面包覆有保温层4，保温层4位于腔体式空气吸热器的最外侧。多根吸热棒1安装 于空气腔3内，吸热筒11全部在空气腔3内，吸收到投入的聚光辐射能流6。吸热棒1与转动装 置5连接。

工作时，转动装置5带动吸热棒1在空气腔3内做周向转动，聚光辐射能流6经辐射投入窗 口2入射至空气腔3内的吸热筒11的表面和内部，吸热筒11接触到聚光辐射能流6的部分表面 吸收辐射能后温度升高，热量在吸热棒1内实现传递。环境中的冷空气7在引风机8的作用下 从辐射投入窗口2吸入至空气腔3内，利用碳化硅泡沫陶瓷具有三维孔隙结构特性，冷空气7 流过吸热筒11和转动轴12，经过对流换热将温度较高的吸热筒11和转动轴12进行冷却，同时 实现自身温度升高。通过此过程将投入的聚光辐射能流6高效地转化为空气热能。包覆外部 的保温层4可以有效防止热量向外界环境散失，利于提高吸热器的热效率。

图3所示为采用本发明的腔体式承压空气吸热器，图4所示为本发明腔体式承压空气吸热 器系统剖面示意。该吸热器由多根吸热棒1、空气腔3、保温层4、转动装置5、压缩空气进口 9和石英玻璃窗口15组成。通过转动装置5的作用，吸热棒1可绕转动轴12进行周向转动。吸 热筒11具有较高的辐射吸收率，泡沫陶瓷孔隙大小和孔结构的选择由空气流场参数和聚光辐 射能流的分布情况决定。空气腔3为一耐高温并承受一定空气压力的腔体，面向太阳光投入 侧安装有石英玻璃窗口15，石英玻璃窗口15为矩形或其他几何形状，其作用为最大限度的透 过聚光辐射能流6并实现空气吸热器的密封。空气腔3留有压缩空气入口9和压缩空气出口10， 供压缩空气的流入与流出。压缩空气入口9与空气压缩机或者鼓风机16连接。空气腔3外表面 包覆有保温层4，保温层4位于腔体式空气吸热器的最外侧。多根吸热棒1安装于空气腔3内， 吸热棒1的吸热筒11全部在空气腔3内部，吸收投入的聚光辐射能流6。吸热棒1与电动装置5 连接。

工作时，转动装置5提供电能带动吸热棒1在空气腔3内做周向转动，聚光辐射能流6经石 英玻璃窗口15入射至空气腔3内部的吸热筒11的表面和内部，吸热筒11接触到聚光辐射能流6 的部分表面吸收辐射能后温度升高，热量在吸热棒1内传递。压缩空气17经压缩空气入口9在 空气压缩机或者鼓风机16作用下吹入空气腔3内，利用碳化硅泡沫陶瓷具有三维孔隙结构特 性，压缩空气17可以低阻力地流过吸热筒11和转动轴12，经过对流换热冷却温度较高的吸热 筒11和转动轴12，压缩空气17自身温度升高，并从压缩空气出口10流出。通过此过程将投入 的聚光辐射能流6高效地转化为压缩空气热能。包覆于空气腔3外部的保温层4可以有效防止 热量向外界环境散失，利于提高吸热器的热效率。

图5所示为采用本发明的外置圆柱式非承压空气吸热器，该吸热器由多根吸热棒1、转动 装置5和密封保温盖板18组成，多根吸热棒1排列成圆柱形，通过转动装置5的作用，吸热棒1 可绕转动轴12进行周向转动。吸热筒11具有较高的辐射吸收率，泡沫陶瓷孔隙大小和孔结构 的选择由空气流场参数和聚光辐射能流6的分布情况决定。密封保温盖板18位于吸热器的顶 部，与吸热棒1连接，具有保温和密封功能。吸热棒1与电动装置5连接，实现工作过程的可 控转动。

工作时，电动装置5提供电能带动吸热棒1做周向转动，聚光辐射能流6从四周方向照 射到每根吸热棒1外部吸热筒11的表面和内部，吸热筒11接触到聚光辐射能流6的部分吸 收辐射能后温度升高，热量在吸热棒1内传递。环境中的冷空气7在引风机8的作用下被吸 入吸热器中，利用碳化硅泡沫陶瓷具有三维孔隙结构特性，冷空气7流过吸热筒11和转动 轴12，经过对流换热冷却温度较高的吸热筒11和转动轴12，同时冷空气7实现自身温度升 高。通过此过程将投入的聚光辐射能流6高效地转化为空气热能。