一種塔式太陽能超臨界空氣吸熱器
1.本發明屬于太陽能高溫熱利用技術領域，具體涉及一種塔式太陽能超臨界空氣吸熱器。
背景技術：
2.能源和環境問題已成為世界難題，化石燃料面臨枯竭，環境問題日益突出，如何解決這一世界難題已成為我們必須面臨的問題。解決能源環境問題就是在能源需求滿足的情況下提高能源利用效率、減少化石燃料等不可再生能源的消耗及污染物排放。在這種情況下，太陽能發電迎來前所未有的重要發展機遇。相較于光伏發電，光熱發電具有輸出連續穩定可調、碳排放量低等獨特優勢，但光熱發電成本居高不下也成為其無法得到商業化應用的一大原因。在眾多光熱發電利用形式中，塔式太陽能發電系統因為其高光熱轉換效率、高聚光比等優點而具有更廣闊的應用前景。吸熱器作為塔式太陽能的核心吸熱部件，考慮到其因為吸熱面受熱不均而產生的熱疲勞、熱棘輪等問題會對吸熱器的穩定性與吸熱效率造成嚴重影響，如何保證吸熱器在穩定運行的前提下能夠使光熱轉換效率最大化已成為現在塔式太陽能發電系統取得進步的關鍵技術問題。
技術實現要素：
3.本發明針對現有技術中的不足，提供一種塔式太陽能超臨界空氣吸熱器。該裝置結構簡單，拆裝固定方便，具有很高的換熱效率與光熱轉換率，對來自非均勻、非穩態、高熱流密度下的熱載荷和熱沖擊具有較好的承受能力，能較好的處理目前平板式吸熱器由于局部受熱不均引起的熱疲勞、熱棘輪等問題。
4.為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種塔式太陽能超臨界空氣吸熱器，其特征在于，包括：吸熱板、圓筒夾套、進出口管道、相變工質和換熱介質；所述吸熱板吸收太陽光的熱量并傳遞給位于吸熱板內的相變工質，所述相變工質發生相變釋放熱量，熱量通過圓筒夾套的外壁傳遞給位于圓筒夾套內部的換熱介質；所述進出口管道包括進口管道和出口管道，所述換熱介質通過進口管道流進圓筒夾套，通過出口管道流出圓筒夾套。
5.為優化上述技術方案，采取的具體措施還包括：進一步地，所述吸熱板為多邊形狀，吸熱板的外表面覆蓋有吸熱涂層。
6.進一步地，所述吸熱板和圓筒夾套之間焊接有加強筋。
7.進一步地，所述圓筒夾套包括圓筒外壁面、隔板、圓筒內壁面、上密封蓋板和下密封蓋板；所述圓筒外壁面、圓筒內壁面、上密封蓋板和下密封蓋板緊密拼接形成圓筒結構，圓筒夾套內部由隔板將整個圓筒結構平均分隔成若干個夾套單元，每個夾套單元單獨作為一個換熱介質流道，若干個相連的夾套單元組成一個換熱介質流道回程。
8.進一步地，所述隔板根據安裝方式分為三類，各換熱介質流道回程之間通過第一類隔板完全隔開，所述第一類隔板密封連接在上密封蓋板和下密封蓋板之間；各換熱介質
流道回程內通過第二類隔板和第三類隔板形成換熱介質流道，所述第二類隔板與上密封蓋板密封連接，第二類隔板與下密封蓋板不相接，所述第三類隔板與上密封蓋板不相接，第三類隔板與下密封蓋板密封連接；各換熱介質流道回程中，第二類隔板和第三類隔板沿周向交替布置。
9.進一步地，每個夾套單元內設置有若干個肋片。
10.進一步地，所述進口管道和出口管道均垂直于上密封蓋板設置，每個換熱介質流道回程對應于一組進口管道和出口管道。
11.進一步地，所述相變工質為金屬錫。
12.進一步地，所述換熱介質為凈化加壓后的空氣。
13.進一步地，還包括熔鹽儲熱層，所述熔鹽儲熱層安裝在圓筒夾套的內側。
14.本發明的有益效果是：1）圓筒夾套承壓能力強，壓縮空氣壓力大幅度提高，載熱能力得到提升；同時結構緊湊，空間利用率高，制造工藝簡單，運行維護成本低。此外還提供了可自主選擇的加強筋設計用以強化整體系統強度，加強筋的形式和數量可根據實際情況選擇。
15.2）采用圓弧狀密封蓋板與隔板的使用，讓空氣在夾套單元間流動換熱時無需依靠管道，減少了管道與腔體之間的焊縫數量，提高了吸熱器的穩定行。同時圓弧狀與板式蓋板相比可以承受更高的空氣壓力，防止超臨界壓縮空氣在夾套單元內流動時對結構造成破壞。
16.3）相變工質采用具有熔點低、粘度低、工作溫度范圍廣以及傳熱效率高等特點的液態金屬錫。液態金屬錫能夠在更高的熱流密度下運行，提高了吸熱器的傳熱性能和效率，并且其熔點較低，啟動迅速。當吸熱器工作出現局部高溫時，液態錫可以快速將這部分熱量移走，延長了吸熱器的使用壽命。
17.4）該吸熱器結構能使壓縮空氣加熱到超臨界狀態，大大提升吸熱器的發電效率。采用熱管原理，避免了太陽光直接照射，通過間接傳熱可以解決由于直接傳熱造成的熱應力所帶來的熱疲勞、熱棘輪等問題，很好的延長了吸熱器的使用壽命。
18.5）圓筒夾套單元內設置肋片，拓展了壓縮空氣側傳熱面積，同時增加了壓縮空氣的停留時間，增強了夾套內部的空氣換熱效果，空氣溫度越高，壓力越大，提高了產出的高溫空氣質量。
19.6）提供了可自主選擇的熔鹽儲熱層，當太陽被云層遮住時，可依靠熔鹽熱量繼續運行。
附圖說明
20.圖1為本發明的塔式太陽能超臨界空氣吸熱器外形圖。
21.圖2為本發明的塔式太陽能超臨界空氣吸熱器管道流程圖。
22.圖3為本發明的塔式太陽能超臨界空氣吸熱器工作示意圖。
23.圖4a為本發明的夾套單元的結構示意圖。
24.圖4b為本發明的夾套單元間換熱流體流動路線示意圖。
25.圖5為本發明的塔式太陽能超臨界空氣吸熱器縱剖圖及局部放大圖。
26.圖6為本發明的工作流程示意圖。
27.附圖標記如下：1-吸熱板；2-圓筒夾套；2.1-圓筒外壁面；2.2-隔板；2.4-圓筒內壁面；2.5-上密封蓋板；2.6-下密封蓋板；3-進出口管道；3.1-進口管道；3.2-出口管道；4-相變工質；5-換熱介質；6-熔鹽儲熱層。
具體實施方式
28.現在結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
29.如圖1所示的塔式太陽能超臨界空氣吸熱器，由吸熱板1、圓筒夾套2、進出口管道3等組成。由定日鏡場聚集的太陽光照射在吸熱板1上，通過熱管原理進行間接式傳熱，能夠有效解決直接傳熱帶來的巨大溫差而引起的熱應力、熱疲勞等問題。
30.吸熱板1為多邊形狀，板式結構可讓太陽光更均勻地分布在表面，吸熱板1外表面可覆蓋吸熱涂層以增強吸熱能力。吸熱板材料為耐高溫合金材料等與液態相變工質相容的材料。
31.如圖2和圖3所示，工作中，聚集的太陽光被反射在吸熱板1上，通過吸熱涂層吸熱升溫將熱量傳遞至吸熱板1內部，相變工質4在吸收熱量后相變，并放出大量熱量。
32.相變工質4采用金屬錫，但不限于錫及錫與其它金屬的混合物。錫的熔點是231
°
c，在常溫下沸點高達2400
°
c，工作溫度范圍寬，由于其低熔點高沸點的物理特性，適合工業應用。在安全性方面，金屬錫以及其氧化物是無毒的；在發生泄漏的情況下，金屬錫表面會迅速形成氧化物外殼避免進一步氧化。液化后的金屬錫溶液具有良好的流動性能，可以強化管間傳熱，在局部有高熱流輸入時，液態錫可以快速移走熱量，防止局部溫度過高，進而形成高效穩定的傳熱，使吸熱板1表面的熱流密度更均勻，很好地解決了由受熱不均引起的熱疲勞、熱棘輪等問題。
33.在吸熱板1與圓筒夾套2外壁設有加強筋，加強筋通過焊接或者其他工藝連接在圓筒夾套2外壁與吸熱板1之間，可在加強筋上通孔或者選擇半封閉式加強筋以保證錫溶液的流動。加強筋的種類和數量可根據實際情況選擇。加強筋的布置可以強化吸熱器整體的強度，進一步保障運行的平穩性。
34.吸熱器還設有熔鹽儲熱層6，可同樣采用夾套設計，內部布置有氯化鹽或者氟化鹽。當太陽被云層遮住時，可利用熔鹽儲熱層6為吸熱器提供熱量，保障吸熱器的平穩運行。
35.如圖2、圖4a、圖4b和圖5所示，圓筒夾套2由圓筒外壁面2.1、隔板2.2、肋片2.3、圓筒內壁面2.4、上密封蓋板2.5和下密封蓋板2.6等組成。圓筒夾套2內部由隔板2.2將整個圓筒平均隔成若干個夾套單元（w1～wn，e1～en），每個夾套單元單獨作為一個換熱介質流道，若干個夾套單元組成一個換熱介質流道回程，具體單元數可根據實際需求進行增減。換熱介質流道回程間用隔板2.2完全隔開，同時隔板2.2加強了圓筒夾套2的穩定性；換熱介質5由進口管道3.1進入夾套單元后，沿著由隔板2.2組成的流道在夾套單元之間流動，多夾套單元組成的換熱介質流道回程提高了換熱介質5的吸熱效果，在吸收熱量后由出口管道3.2進入膨脹機膨脹做功帶動發電機發電。
36.具體地，如圖4b所示，隔板2.2根據安裝方式分為三類，各換熱介質流道回程之間通過第一類隔板完全隔開，第一類隔板密封連接在上密封蓋板2.5和下密封蓋板2.6之間；各換熱介質流道回程內通過第二類隔板和第三類隔板形成換熱介質流道，第二類隔板與上密封蓋板2.5密封連接，第二類隔板與下密封蓋板2.6不相接，第三類隔板與上密封蓋板2.5
不相接，第三類隔板與下密封蓋板2.6密封連接。各換熱介質流道回程中，第二類隔板和第三類隔板沿周向交替布置。
37.每個夾套單元內設置了多個肋片2.3，肋片2.3數量可根據實際需求設置。由于圓筒夾套2承壓能力強，且肋片2.3的存在拓展了傳熱面積，肋片2.3可增加壓縮空氣的流程和停留時間，提高了輸出壓縮空氣的溫度，溫度越高，壓力越大，則發電效率越高。
38.上密封蓋板2.5和下密封蓋板2.6為圓弧狀，與板式蓋板相比可以承受更高的壓力，防止超臨界壓縮空氣在夾套單元內流動時對結構造成沖擊破壞。
39.進出口管道3均垂直于上密封蓋板2.5，圖中是由兩根進口管道3.1以及兩根出口管道3.2組成。換熱介質5從流道回程的進口管道3.1流入圓筒夾套2，在經過多個夾套單元共同組成的流道回程換熱后，由出口管道3.2流出后輸入膨脹機膨脹做功，帶動發電機發電。
40.進口管道3.1與出口管道3.2都可以由集合管與分支管組成，集合管管徑粗，分支管管徑細，分支管與夾套單元相接，純化后的壓縮空氣通過進口集合管輸入，再通過分支管進入夾套單元進行吸熱，最后通過出口分支管進入出口集合管，輸入膨脹機膨脹做功發電。分支管具體數量可根據實際需求設定。
41.換熱介質5采用超臨界壓縮空氣，在對空氣壓縮前先對空氣進行凈化，除去空氣中的固體以及雜質氣體；可通過壓縮機將空氣壓力加至一定壓力，由于圓筒夾套2的承壓能力強，可以使用更高壓力的壓縮空氣來提高其載熱能力。
42.本發明的工作原理是：太陽光由定日鏡場反射在吸熱板1上，使吸熱器內部的相變工質4發生相變進行傳熱，由熱管原理進行間接傳熱，有效解決直接傳熱帶來的巨大溫差而引起的熱應力、熱疲勞等問題。熱量通過吸熱板1傳遞到圓筒夾套2。由入口管道3.1進入圓筒夾套2的換熱介質5為事先通過空氣凈化裝置以及壓縮機凈化加壓至超臨界狀態的壓縮空氣。通過空氣凈化裝置去除空氣中的固體以及雜質氣體。壓縮空氣通過在圓筒夾套2內的換熱介質流道回程中流動，將傳至圓筒夾套2內部的熱量帶走，多回程的設置以及夾套單元內肋片2.3的使用能使壓縮空氣達到更高的溫度。當壓縮空氣達到相應的工作溫度后，由出口管道3.2輸出高溫空氣，之后進入膨脹機膨脹做功帶動發電機工作。設置可以自主選擇的熔鹽儲熱層6，當太陽被云層遮住時，可通過熔鹽儲熱夾套為壓縮空氣提供熱量，保障吸熱器的正常運行。
43.需要注意的是，發明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用語，亦僅為便于敘述的明了，而非用以限定本發明可實施的范圍，其相對關系的改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施的范疇。
44.以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護范圍。
