一种太阳能热发电站用吸热体旋转式空气吸热器 【技术领域】
本发明涉及一种太阳能热发电站用空气吸热器，特别涉及吸热体旋转式空气吸热器。
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。塔式热发电装置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接收器上，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、西班牙、德国、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受太阳辐射的吸热体，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，从吸收装置上吸收热量。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。
综上所述，为了获得高温空气，对于容积式空气吸热器而言，其吸热体均保持固定不动，需要吸热材料自身具有极高的抗热震性能，需要耐受极强的非均匀太阳能辐射能流加热。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有空气吸热器内吸热体材料在高温、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旋转吸热的空气吸热器。本发明采用碳化硅泡沫陶瓷材料作为吸热体，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旋转，使接收太阳辐射的吸热体部分时刻变化，从而避免较高热流密度区在吸热体某一部位长时间加热，扩大可接收高热流密度的吸热体区域，有利于实现吸热体表面能流密度的均匀。吸热体绕旋转轴的转动，对空气腔内的空气具有一定的搅拌作用，利于空气温度场的均匀。空气温度场均匀、吸热体表面受热均匀，避免了局部“热斑”的出现，大大提高了吸热器的安全性。旋转着的碳化硅泡沫陶瓷吸热体具有储热功能，可以在一定时间内避免空气温度的较大波动。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，同时可实现吸热体旋转过程中空气沿三维方向流通，不会由于旋转带来系统空气流动阻力的显著增加。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。
本发明的吸热体旋转式空气吸热器，以空气为传热介质。所述的吸热器由碳化硅泡沫陶瓷吸热体、旋转轴、空气腔、辐射投入窗口和保温层等组成。碳化硅泡沫陶瓷吸热体由三片或者三片以上碳化硅泡沫陶瓷组成，旋转轴为致密碳化硅陶瓷棒体，与碳化硅泡沫陶瓷吸热体一体烧结成型，旋转轴的长度可视使用要求贯穿碳化硅泡沫陶瓷吸热体或部分嵌入碳化硅泡沫陶瓷吸热体。空气腔为承载吸热体和旋转轴的空腔，预留有辐射投入窗口供太阳能的投入，空气腔位于碳化硅泡沫陶瓷吸热体和旋转轴的外部，吸热体的空气腔的外部包覆有耐高温的保温层，以控制热量的散失。
本发明吸热体旋转式空气吸热器为空腔吸热方式，可减少向外界环境的辐射热损失。
本发明工作过程如下：
经聚光设备收集的聚光辐射能流经辐射投入窗口投射至旋转中的碳化硅泡沫陶瓷吸热体上，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地导热系数，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，旋转中的碳化硅泡沫陶瓷吸热体，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，随着旋转过程的进行，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，加之调整吸热体的旋转速度，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体兼有储热功能，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本发明太阳能热发电站用吸热体旋转式空气吸热器示意图；
图2本发明太阳能热发电站用吸热体旋转式非承压空气吸热器系统示意图；
图3本发明太阳能热发电站用吸热体旋转式承压空气吸热器系统示意图；
图中：1碳化硅泡沫陶瓷吸热体、2辐射投入窗口、3旋转轴、4空气腔、5保温层、6聚光辐射能流、7电机、8冷空气、9热空气、10引风机、11密封玻璃、12空气压缩机、13高压冷空气、14高压热空气。
【具体实施方式】
图1所示为本发明太阳能热发电站用吸热体旋转式空气吸热器。该吸热器由碳化硅泡沫陶瓷吸热体1、辐射投入窗口2、旋转轴3、空气腔4及保温层5组成，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1可由三片或者三片以上的碳化硅泡沫陶瓷板一体成型而成，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。辐射投入窗口2为矩形或其他几何形状，其作用为最大限度的透过聚光辐射能流6。旋转轴3为致密碳化硅陶瓷棒体，与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1一体烧结成型，旋转轴3的长度可视使用要求贯穿碳化硅泡沫陶瓷吸热体1或部分嵌入碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部，旋转轴3的轴线与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1的中心线重合，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1可绕旋转轴3进行周向旋转。碳化硅泡沫陶瓷吸热体1与空气腔4间留有较小间隙，既能满足碳化硅泡沫陶瓷吸热体1绕旋转轴3自由旋转又可使空气尽可能少的从缝隙中流过，旋转轴3的动力由直接与其连接的电机7提供。空气腔4为一耐高温承压或非承压腔体，面向太阳光投入侧预留有辐射投入窗口2，留有空气入口和空气出口，供空气的流入与流出，空气腔4外表面包覆有保温层5，保温层5位于吸热体旋转式空气吸热器的最外侧。
工作时，电机7提供电能通过旋转轴3带动碳化硅泡沫陶瓷吸热体1在空气腔4内做周向旋转，聚光辐射能流6经辐射投入窗口2入射至空气腔4内旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1表面上，旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1部分表面吸收辐射能后温度升高，热量在碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部传递，空气腔4内流动的空气通过对流换热，将碳化硅泡沫陶瓷吸热体1冷却，自身温度升高，通过此过程将太阳能被高效地转化为空气热能。包覆的保温层5可以有效防止热量的向外界环境散失，利于提高吸热器的热效率。
图2所示为本发明的太阳能热发电站用吸热体旋转式非承压空气吸热器系统。该吸热体旋转式非承压空气吸热器系统由碳化硅泡沫陶瓷吸热体1、辐射投入窗口2、旋转轴3、空气腔4、保温层5、电机7及引风机10组成，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1可由三片或者三片以上碳化硅泡沫陶瓷板一体成型而成，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。辐射投入窗口2为矩形或其他几何形状开口。旋转轴3为致密碳化硅陶瓷棒体，与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1一体烧结成型，旋转轴3的长度可视使用要求贯穿碳化硅泡沫陶瓷吸热体1或部分嵌入碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部，旋转轴3的轴线与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1的中心线重合，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1可绕旋转轴3进行周向旋转。碳化硅泡沫陶瓷吸热体1与空气腔4间留有较小间隙，既能满足碳化硅泡沫陶瓷吸热体1绕旋转轴3自由旋转又可使空气尽可能少的从缝隙中流过，旋转轴3的动力由直接与其连接的电机7提供。空气腔4为一耐高温非承压腔体，面向太阳光投入侧为辐射投入窗口2，空气腔4外表面包覆有保温层5，保温层5位于吸热体旋转式空气吸热器的最外侧。引风机10与空气腔4密封连接，为空气流动提供动力。
工作时，环境中的冷空气8在引风机10的作用下从辐射投入窗口2吸入至空气腔4内，聚光辐射能流6经辐射投入窗口2入射至空气腔4内旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1表面上，电机7提供电能通过旋转轴3带动碳化硅泡沫陶瓷吸热体1在空气腔4内做周向旋转，旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1部分表面吸收辐射能后温度升高，热量在碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部传递，冷空气8在旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部流动，与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1进行对流换热，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1被冷却，冷空气8被加热为热空气9，通过此过程将太阳能被高效地转化为空气热能。包覆的保温层5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所示为本发明的太阳能热发电站用吸热体旋转式承压空气吸热器系统。该吸热体旋转式承压空气吸热器系统由碳化硅泡沫陶瓷吸热体1、密封玻璃11、旋转轴3、空气腔4、保温层5、电机7及空气压缩机12组成，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1可由三片或者三片以上碳化硅泡沫陶瓷板一体成型而成，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。密封玻璃11为矩形或其他几何形状的石英玻璃，具有密封和透光的功能。旋转轴3为致密碳化硅陶瓷棒体，与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1一体烧结成型，旋转轴3的长度可视使用要求贯穿碳化硅泡沫陶瓷吸热体1或部分嵌入碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部，旋转轴3的轴线与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1的中心线重合，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1可绕旋转轴3进行周向旋转。碳化硅泡沫陶瓷吸热体1与空气腔4间留有较小间隙，既能满足碳化硅泡沫陶瓷吸热体1绕旋转轴3自由旋转又可使空气尽可能少的从缝隙中流过，旋转轴3的动力由直接与其连接的电机7提供。空气腔4为一耐高温、耐高压空腔，通过空气入口管道与空气压缩机12相连，空气腔4外表面包覆有保温层5，保温层5位于吸热体旋转式空气吸热器的最外侧。空气压缩机12与空气腔4密封连接，空气压缩机12作用为向空气腔内压入高压空气。
工作时，空气压缩机12将高压冷空气13压入空气腔4内，聚光辐射能流6经密封玻璃11入射至空气腔4内旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1表面上，电机7提供电能通过旋转轴3带动碳化硅泡沫陶瓷吸热体1在空气腔4内做周向旋转，旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1部分表面吸收辐射能后温度升高，热量在碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部传递，高压冷空气13在旋转的碳化硅泡沫陶瓷吸热体1内部流动，与碳化硅泡沫陶瓷吸热体1进行对流换热，碳化硅泡沫陶瓷吸热体1被冷却，高压冷空气13被加热为高压热空气14，通过此过程将太阳能被高效地转化为高压空气热能。包覆的保温层5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。