一种二级加热容积式太阳能空气接收器

摘要

本发明公开了属于太阳能热利用领域的一种二级加热容积式太阳能空气接收器。该二级加热容积式太阳能空气接收器由一级预热区、空气流道与二级加热区构成。其中预热区绝热外壳、支撑板与绝热内板之间的腔体形成一级预热区，流道绝热外壳、支撑板与内侧石英玻璃之间的腔体形成空气流道，加热区绝热与支撑板外壳包围的内部柱状腔体形成二级加热区。在一级预热区、空气流道与二级加热区内均安装有泡沫陶瓷材料，接收器前表面加盖外侧石英玻璃构成二级加热容积式太阳能空气接收器；通过调整空气在高辐射区域和低辐射区域流过的先后次序及二级加热的形式提高太阳能接收器的吸收效率。本发明可并联使用，可单独使用；可以提高太阳能接收器的吸收效率。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能热利用领域，特别涉及一种二级加热容积式太阳能空气接收器。

背景技术

太阳能具有储量巨大、容易获取、清洁环保等诸多优点，近年来基于太阳能的发电技术得到了快速发展。太阳能发电主要有两类，一种是太阳能光伏技术，另一种是太阳能光热发电技术。太阳能光伏发电是利用大面积铺设太阳能电池板，将太阳能电池板表面接收到的太阳热辐射通过光伏效应转化为电能。而太阳能光热发电是先通过大面积铺设的镜场先将太阳辐射聚集，通过接收器将其收集并转化为工质(空气、熔盐等)的内能，然后再通过汽轮机将工质的内能转换成电能。与太阳能光伏发电相比，太阳能光热发电更清洁，更容易大型化，在替代传统能源方面更具潜力。

聚焦式太阳能热发电(CSP)是解决人类能源和环境问题的一种有效方法，发展前景广阔，具备热能储存系统的CSP可提供和传统燃料电站相近的调度电力和电网服务的能力，但目前其发电成本仍然是传统火力发电成本的二至三倍，积极推动CSP的发展和技术进步意义重大。一座典型的聚焦式太阳能发电站(CSP)主要由三个子系统构成：太阳能镜场，太阳能接收器和能量转换系统。太阳能接收器是塔式太阳能发电三大子系统之一，通过镜场聚集的太阳辐射在接收器内转化为工质的热能，接收器的转化效率直接关系到整个机组的转化率。按照太阳能接收器的结构来划分，可以将其分为三类，外部受热式、空腔式和容积式。其中容积式接收器结构简单，造价低廉，集热效率高，特别适合于高温集热，发展前景广阔。

现有的容积式接收器普遍为直接加热工质的一级加热形式，由于经常聚集的太阳辐射存在中部能量密度高，两侧能量密度低，工质受热均匀性差，加热性能有限。并且由于容积式接收器的加热面大面积暴露在环境中，经过太能辐射加热的加热面直接暴露在环境中，热量损失巨大，严重限制了容积式接收器的加热效率，因此亟需能够改善工质受热均匀性与降低整体热量损失的新型容积式接收器。

发明内容

本发明的目的是提供一种二级加热容积式太阳能空气接收器，其特征在于，所述二级加热容积式太阳能空气接收器依次由一级预热区、空气流道与二级加热区三部分构成；其中预热区绝热外壳、支撑板与绝热内板之间的腔体形成一级预热区，流道绝热外壳、支撑板与内侧石英玻璃之间的腔体形成空气流道，加热区绝热外壳与支撑板包围的内部柱状腔体形成二级加热区；在一级预热区、空气流道与二级加热区内均安装有泡沫陶瓷材料，接收器前表面加盖外侧石英玻璃，以构成二级加热容积式太阳能空气接收器；其中，空气先经过一级预热区预热后，流过空气流道流入二级加热区加热。

所述预热区绝热外壳、流道绝热外壳、加热区绝热外壳与绝热内板均在腔体外壳外包有一层绝热材料；其中绝热材料选择导热系数极低的气凝胶毡，起到明显的绝热效果，减少整个装置的热量耗散。

所述泡沫陶瓷材料具有的孔隙率，并且孔径分布均匀、气孔率高、比表面积大，流体混合性好、耐磨损、耐高温、抗腐蚀并且能够将空气加热到800℃以上；选用碳化硅泡沫陶瓷，Al₂O₃泡沫陶瓷材料或ZrO₂泡沫陶瓷材料。

所述内侧石英玻璃、外侧石英玻璃能够防止接收器内部高温空气向外界泄露，并且具有很高的短波辐射透过率，能够最大限度让太阳辐射通过，照射到二级加热区，并将二级加热区向低温环境发射的长波辐射反射回二级加热区，降低加热器的辐射散热损失和减少接收器与外部低温环境的对流散热损失；内侧石英玻璃能够防止空气流道处产生气流漩涡，防止气流漩涡增大空气流动阻力。

所述二级加热容积式太阳能空气接收器可并联使用或单独使用；由改变支撑板的安装角度完成；在单独使用情况下只需要在支撑板外侧外包绝热材料；在并联使用情况下只需更改支撑板的安装角度，以形成并联结构。

本发明的有益效果是与现有技术相比具有以下特点：

1)太阳能接收器的运行效率受到运行工况的影响，随空气流量的增加而增加，随空气入口温度的增加而减小，随前表面投入辐射的增加而减小。通过调整空气在高辐射区域和低辐射区域流过的先后次序，通过二级加热的形式可以提高太阳能接收器的吸收效率。

2)加热器流道一分为二，会使气体流量更大，在一级预热区可以获得更高的吸收效率，在二级加热区气体入口温度更高，高空气流量会减弱二级加热区的效率下降，在合适的结构参数下，可以获得更高的运行效率。装置前表面覆盖外侧石英玻璃，与内侧石英玻璃一起起到密封作用，防止吸收器内的空气泄露；并且具有很高的短波辐射透过率，能够最大限度让太阳辐射通过并照射到二级加热区，并将二级加热区向低温环境发射的长波辐射反射回二级加热区，降低加热器的辐射散热损失，内侧石英玻璃能够防止空气流道处产生气流漩涡，防止气流漩涡增大空气流动阻力，外侧石英玻璃能够减少接收器与外部低温环境的对流散热损失。

3)泡沫陶瓷材料具有孔隙率、具有孔径分布均匀、气孔率高、比表面积大，流体混合性好等特性。陶瓷材料具有耐磨损、耐高温、抗腐蚀等优良性能。

4)支撑板的安装角度可改变；使二级加热容积式太阳能空气接收器既可并联使用，又可单独使用。

附图说明

图1为二级加热容积式太阳能空气接收器整体示意图。

图2为二级加热容积式太阳能空气接收器主视图。

图3为二级加热容积式太阳能空气接收器中心剖面示意图。

图4塔式CSP系统中二级加热容积式太阳能空气接收器应用示意图。

具体实施方式

本发明提供一种二级加热容积式太阳能空气接收器，下面根据附图详细阐述本发明。

图1、图2、图3所示为二级加热容积式太阳能空气接收器结构示意图。图示二级加热容积式太阳能空气接收器由一级预热区、空气流道与二级加热区三部分构成。其中预热区绝热外壳1、支撑板8与绝热内板4之间的腔体形成一级预热区；流道绝热外壳2、支撑板8与内侧石英玻璃7之间的腔体形成空气流道，加热区绝热外壳3与支撑板8包围的内部柱状腔体形成二级加热区；其空气流道一分为二，使气体流量更大，在一级预热区可以获得更高的吸收效率，在二级加热区气体入口温度更高，高空气流量会减弱二级加热区的效率下降；装置前表面覆盖外侧石英玻璃，与内侧石英玻璃一起起到密封作用，防止吸收器内的空气泄露。。在一级预热区、空气流道与二级加热区内均安装有泡沫陶瓷材料5，接收器前表面加盖外侧石英玻璃6，以构成二级加热容积式太阳能空气接收器。

在合适的结构参数下，可以获得更高的运行效率，所述二级加热容积式太阳能空气接收器的：

预热区绝热外壳1、流道绝热外壳2、加热区绝热外壳3与绝热内板4均可采用腔体外壳外包绝热材料的形式构成，其中绝热材料选择导热系数极低的气凝胶毡，可以起到明显的绝热效果，减少整个装置的热量耗散。

泡沫陶瓷5选用孔径分布均匀、气孔率高、比表面积大，流体混合性好、耐磨损、耐高温、抗腐蚀并且能够将空气加热到800℃以上的碳化硅泡沫陶瓷，Al₂O₃泡沫陶瓷材料或ZrO₂泡沫陶瓷材料。其孔隙率达到

外侧石英玻璃6、内侧石英玻璃7能够防止接收器内部高温空气向外界泄露，并且具有很高的短波辐射透过率，能够最大限度让太阳辐射通过并照射到二级加热区，并将二级加热区向低温环境发射的长波辐射反射回二级加热区，降低加热器的辐射散热损失，内侧石英玻璃能够防止空气流道处产生气流漩涡，防止气流漩涡增大空气流动阻力，外侧石英玻璃能够减少二级加热区的高温材料与外部低温环境的对流散热损失。

支撑板8的安装角度可改变，二级加热容积式太阳能空气接收器可并联使用，可单独使用。单独使用情况下需要在支撑板外侧外包绝热材料，并联使用情况下只需更改支撑板的安装角度，以形成并联结构。

图4所示为塔式CSP系统中二级加热容积式太阳能空气接收器应用示意图；图中接收器单元放在支座上；如图3所示，二级加热容积式太阳能空气接收器的空气先经过一级预热区预热后，流过空气流道流入二级加热区加热。太阳能接收器的运行效率受到运行工况的影响，随空气流量的增加而增加，随空气入口温度的增加而减小，随前表面投入辐射的增加而减小。在实际的太阳能接收器运行过程中，接收器的前表面收到的投入辐射并不均匀，呈现出一种中间辐射量高，周边辐射量小的分布形式，通过调整空气在高辐射区域和低辐射区域流过的先后次序，通过二级加热的形式可以提高太阳能接收器的吸收效率。常温空气首先从外侧流道流入预热区绝热外壳1、支撑板8与绝热内板4之间的腔体形成一级预热区，经过辐射量较小的周边辐射预热后，流入流道绝热外壳2、支撑板8与内侧石英玻璃7之间的腔体形成的空气流道后，流入加热区绝热外壳3与支撑板8包围的内部柱状腔体形成的二级加热区，在二级加热区内经过辐射量较高的中部辐射加热为高温空气，最后流出接收器。在接收器内部，泡沫陶瓷5作为加热部分，用以吸收射入接收器的太阳辐射，并将热量传递给流过泡沫陶瓷5的空气。二级加热的形式加大了空气流过泡沫陶瓷吸收体时的流速，在相同的条件下可以获得更高的吸收效率。内侧石英玻璃7、外侧石英玻璃6能够防止接收器内部高温空气向外界泄露，并且具有很高的短波辐射透过率，能够最大限度让太阳辐射通过并照射到二级加热区，并将二级加热区向低温环境发射的长波辐射反射回二级加热区，降低加热器的辐射散热损失，内侧石英玻璃7能够防止空气流道处产生气流漩涡，防止气流漩涡增大空气流动阻力，外侧石英玻璃6能够减少接收器与外部低温环境的对流散热损失。