具有储热能力的塔式太阳能吸热器
技术领域
本发明涉及塔式太阳能吸热器研发技术领域，特别涉及具有储热能力的塔式太阳能吸热器。
背景技术
在塔式太阳能热发电系统中，需要广阔的场地来布置数量众多的定日镜。每台定日镜实现对太阳的实时跟踪，并将太阳光反射到吸热器。位于高塔上的吸热器吸收由定日镜系统反射来的高热流密度辐射能，并将其转化为高温热能传递给传热工质。高温传热工质通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器，产生高压过热蒸汽,推动常规汽轮机发电。由于使用了高塔聚焦，典型的塔式太阳能热发电系统可以实现1000以上的聚焦比；投射到塔顶吸热器的局部热流密度最高可达1000kW/m2 以上。
吸热器是塔式太阳能热发电系统的核心设备，其吸热能力是实现太阳能到传热工质热能转换的关键。根据吸热器结构的不同，可以将吸热器分为管式吸热器和容积式吸热器。对于管式吸热器，传热工质在金属或陶瓷管内流动，管外壁涂以耐高温选择性吸收涂层，聚焦入射的太阳能以辐射方式使管外壁面温度升高，再通过管壁以导热和对流的方式将热量传递给管内的传热工质。通常将管束紧密布置成类似平板的吸热屏，然后将一块块吸热屏安装在圆筒外表面（外露管式吸热器）或腔体内表面（腔体管式吸热器）。
目前，已经实现商业化的塔式太阳能热发电站的吸热器多为外露管式吸热器，传热工质也多为熔盐。对于这种吸热器，其吸热屏的受光面既接收定日镜场反射过来的太阳辐射，又与外界环境直接接触，存在较大的散热损失。而天气状况的变化对太阳辐射的影响很大，进而会影响到吸热器出口传热工质的温度。例如，当有云层飘过定日镜场上空时，吸热器接收的太阳辐射会急剧减少，甚至降为零；而此时吸热器的高温管壁会以辐射和对流的形式向外界散热，从而导致壁温的快速下降。严重时可能导致吸热器内熔盐工质的凝固。另外，当云层飘离定日镜后，吸热器接收的太阳辐射又会急剧增加；由于此时管壁的温度已经较低，从而会导致吸热器壁温的急剧增加，天气状况的变化会造成吸热器壁温的剧烈变化，缩短吸热器的使用寿命，甚至会导致吸热管的爆裂，引发安全事故。亟需开发出一种对天气变化的适应性更强、可防止吸热器管路中的熔盐凝结造成堵塞、使用寿命更长，安全性更好的吸热器。
发明内容
为克服现有技术中所存在的上述不足，本申请提供了具有储热能力的塔式太阳能吸热器，本申请的具有储热能力的塔式太阳能吸热器，具有储热保温装置，可分别对上下集箱、吸热管进行保温，其热化学与电伴热配合的储热保温方式使吸热器对天气变化的适应性更强，防止管路中的熔盐凝结造成堵塞，提高了吸热器整体的可靠性和使用寿命，降低了维护和使用成本。
具有储热能力的塔式太阳能吸热器，包括吸热屏，所述吸热屏直立并围绕吸热器的中心周向布置，所述吸热屏包括上集箱、下集箱以及通过连接管与上集箱和下集箱固联的成排设置的吸热管；所述吸热屏上还设有储热保温装置，所述储热保温装置包括集箱保温装置和吸热管储热保温装置，所述集箱保温装置将所述上集箱、下集箱和连接管包围在内，所述集箱保温装置由外到内分为四层，依次为外壳、隔热层、密封层和壁挂式电热辐射板；所述吸热管储热保温装置设于吸热管背光侧，包括紧贴吸热管背光面管壁设置的吸热管加热组件，和设于相邻的吸热管之间的吸热管储热组件。
与现有技术相比，本申请的具有储热能力的塔式太阳能吸热器具有以下显著进步：
1）集箱保温装置的外壳、隔热层和密封层可起到减缓散热、防止外界雨水流入的作用，壁挂式电热辐射板通过金属支架固定于密封层上，在吸热器预热开始之前，将壁挂式电热辐射板通电，壁挂式电热辐射板会以红外线的形式将辐射能传递给集箱和连接管，起到加热保温的作用；
2）吸热管背部设有吸热屏保温元件，可均匀加热吸热管及储热单元，当定日镜场反射过来的太阳光照射到吸热屏的受光面时，也会照射到热化学物质，使热化学物质升温，达到发生化学反应的温度，进而将太阳辐射能转化为热化学物质的化学能，从而实现储热的效果；
3）当天气发生变化，吸热器接收的热流密度减小时，吸热管壁温和热化学物质的温度都会降低，当热化学物质的温度下降到一定值时，热化学物质会发生氧化反应，将先前储存的化学能释放出来，用来加热吸热管和吸热管中的熔盐，从而减小了管壁的温降速率，延长熔盐温降的时间。
作为优化，所述吸热屏横截面处，相邻吸热管呈W型双排设置，靠近受光面的为第一排吸热管，另一排为第二排吸热管，所述吸热屏中，第二排吸热管的管数比第一排吸热管的管数多一根，每一排中相邻吸热管轴线之间的距离X为1.5-2.5倍吸热管的外径，第一排吸热管与相邻的第二排吸热管轴线之间的纵向距离Y为1-1.5倍吸热管的外径，所述第二排吸热管背光面的管壁与吸热管加热组件相接触，第二排相邻的两个吸热管和位于上述两吸热管之间的第一排吸热管构成了一个空腔结构，所述吸热管储热组件设于所述空腔结构中，相邻的吸热管储热组件不相接触。
根据该优化方案，吸热管采用W型双排布置，在吸热管之间形成一个个腔体，利用“腔体效应”可减少吸热器的散热损失；对吸热管间距进行合理控制可尽可能增大受光面积，并减少散热损失，在吸热管之间的空腔中放置吸热管储热组件，当定日镜场反射过来的太阳光照射到吸热屏的受光面时，也会照射到吸热管储热组件，使吸热管储热组件升温，达到发生化学反应的温度，进而将太阳辐射能转化为热化学物质的化学能，从而实现储热的效果。
进一步，作为优化，所述吸热管储热组件包括热化学模块和卡托，所述卡托位于所述吸热管储热组件下端，并位于集箱保温装置之外，所述的卡托的截面形状与热化学模块的截面形状一致。
根据该优化方案，所述卡托起到防止热化学物质脱落的作用。
作为优化，所述热化学模块为放置在卡托之上，并沿着吸热管竖直方向逐渐垒高的一个个独立的块状结构。
根据该优化方案，所述热化学模块为独立块状结构，便于制作、组装、拆卸和更换。
作为优化，所述吸热管的受光面上设有耐高温的选择性吸收涂层。
根据该优化方案，所述吸热管接收太阳光照射时，表面温度急剧升高，涂设耐高温的选择性吸收涂层一方面有助于吸热器光热转换，另一方面可防止高温对涂层造成破坏。
作为优化，所述吸热管加热组件由外到内分为三层，依次为保温层、加热电缆和金属板。
根据该优化方案，所述金属板导热性好，安装于吸热管背部可提高加热电缆对吸热管的传热效率，保温棉层覆盖在外减少热量流失。
作为优化，所述加热电缆呈“波浪形”弯曲布置于所述金属板之上。
根据该优化方案，所述加热电缆波浪形布置时对吸热管的加热更均匀。
作为优化，所述的保温层与金属板固联，采用导热系数小于0.12W/(m∙K)的硅酸铝材料。
根据该优化方案，所述硅酸铝材料导热系数小，散热少，可起到更好的保温效果。
作为优化，所述集箱保温装置截面呈多边形，所述壁挂式电热辐射板平行于集箱保温装置侧面，其工作面围绕上集箱、下集箱和连接管，所述工作面背部与外壳固联。
根据该优化方案，所述壁挂式电热辐射板平行于集箱保温装置侧面可以更合理的利用集箱保温装置内部空间，尽可能增大壁挂式电热辐射板面积，所述壁挂式电热辐射板与集箱相对设置的可以用以加热集箱，与连接管位置相对应设置的可以用以加热连接管，防止熔盐凝结堵塞。
作为优化，所述密封层面向集箱表面侧设有高反射涂层。
根据该优化方案，所述密封层表面的高反射涂层用于反射壁挂式电热辐射板所发出的红外线，增强壁挂式电热辐射板的加热效果。
附图说明
图1是本发明的具有储热能力的塔式太阳能吸热器的单个吸热屏的结构示意图。
图2是本发明的具有储热能力的塔式太阳能吸热器的侧面剖视图。
图3是图2中具有储热能力的塔式太阳能吸热器的横截面结构示意图。
图4是本发明的具有储热能力的塔式太阳能吸热器的卡托的结构示意图。
图5是本发明的具有储热能力的塔式太阳能吸热器的垒高后热化学模块的示意图。
附图标记说明
1-吸热屏，11-上集箱，12-下集箱，13-吸热管、131-第一排吸热管、132-第二排吸热管，14-连接管；2-储热保温装置，21-集箱保温装置、211-外壳、212-隔热层、213-密封层、214-壁挂式电热辐射板，22-吸热管储热保温装置、221-吸热管加热组件、2211-保温层、2212-加热电缆、2213-金属板、222-吸热管储热组件、2221-热化学模块、2222-卡托。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式（实施例）对本发明专利申请作进一步的说明，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明专利申请，但并不作为对本发明专利申请限制的依据。
参见图1-2，本发明提供了具有储热能力的塔式太阳能吸热器，包括吸热屏1，所述吸热屏1直立并围绕吸热器的中心周向布置，其特征在于：所述吸热屏1包括上集箱11、下集箱12以及通过连接管14与上集箱11和下集箱12固联的成排设置的吸热管13；所述吸热屏1上还设有储热保温装置2，所述储热保温装置2包括集箱保温装置21和吸热管储热保温装置22，所述集箱保温装置21将所述上集箱11、下集箱12和连接管14包围在内，所述集箱保温装置21由外到内分为四层，依次为外壳211、隔热层212、密封层213和壁挂式电热辐射板214；所述吸热管储热保温装置22设于吸热管13背光侧，包括紧贴吸热管13背光面管壁设置的吸热管加热组件221，和设于相邻的吸热管13之间的吸热管储热组件222。
参见图3，作为一个具体实施例：
所述吸热屏1横截面处，相邻吸热管13呈W型双排设置，靠近受光面的为第一排吸热管131，另一排为第二排吸热管132，所述吸热屏1中，第二排吸热管132的管数比第一排吸热管131的管数多一根，每一排中相邻吸热管13轴线之间的距离X为2倍吸热管13的外径，第一排吸热管131与相邻的第二排吸热管132轴线之间的纵向距离Y为1倍吸热管13的外径，所述第二排吸热管132背光面的管壁与吸热管加热组件221相接触，第二排相邻的两个吸热管13和位于上述两吸热管13之间的第一排吸热管131构成了一个空腔结构，所述吸热管储热组件222设于所述空腔结构中，相邻的吸热管储热组件222不相接触。
本实施例中的吸热管13采用W型双排布置，在吸热管13之间形成一个个腔体，在吸热管之间的空腔中放置吸热管储热组件222，一方面利用“腔体效应”可减少吸热器的散热损失，另一方面，当定日镜场反射过来的太阳光照射到吸热屏的受光面时，也会照射到吸热管储热组件222，使吸热管储热组件222升温，当达到发生化学反应的温度时，可将太阳辐射能转化为热化学物质的化学能进行存储，从而实现储热的效果；另外，对吸热管13间距进行合理控制可尽可能增大受光面积，减少散热损失。
进一步，参见图4、5，所述吸热管储热组件222包括热化学模块2221和卡托2222，所述卡托2222位于所述吸热管储热组件222下端，并位于集箱保温装置21之外，所述的卡托2222的截面形状与热化学模块2221的截面形状一致。所述卡托2222起到防止热化学物质脱落的作用。
再进一步，所述热化学模块2221为放置在卡托之上，并沿着吸热管13竖直方向逐渐垒高的一个个独立的块状结构。所述热化学模块2221为独立块状结构，便于制作、组装、拆卸和更换。
同时，所述吸热管13的受光面上设有耐高温的选择性吸收涂层。所述吸热管13接收太阳光照射时，表面温度急剧升高，涂设耐高温的选择性吸收涂层一方面有助于吸热器光热转换，另一方面可防止高温对涂层造成破坏。
作为一个具体实施例：
所述吸热管加热组件221由外到内分为三层，依次为保温层2211、加热电缆2212和金属板2213。所述金属板2213的导热性好，安装于吸热管13的背部，可提高加热电缆2212对吸热管13的传热效率，保温层2211覆盖在加热电缆2212和金属板2213外，可减少热量流失。
进一步，所述加热电缆2212呈“波浪形”弯曲布置于所述金属板2213之上，所述加热电缆2212呈波浪形布置对吸热管13的加热更均匀。
另外，所述的保温层2211与金属板2213固联，采用导热系数小于0.12W/(m∙K)的硅酸铝材料，所述保温层2211与金属板2213固联可将加热电缆2212夹在中间起到固定、保护、保温的作用，硅酸铝材料导热系数小，散热少，可起到更好的保温效果。
作为一个具体实施例：
所述集箱保温装置21截面呈多边形，所述壁挂式电热辐射板214平行于集箱保温装置21侧面，其工作面围绕上集箱11、下集箱12和连接管14，所述工作面背部与外壳211固联。所述壁挂式电热辐射板214平行于集箱保温装置21侧面，可以更合理的利用集箱保温装置21内部空间，尽可能增大壁挂式电热辐射板214面积，所述壁挂式电热辐射板214与集箱相对设置可以用以加热集箱，与连接管14相对应设置可以用以加热连接管14，防止熔盐凝结堵塞。
所述密封层213面向集箱表面侧设有高反射涂层。密封层213表面的高反射涂层用于反射壁挂式电热辐射板214所发出的红外线，增强壁挂式电热辐射板214的加热效果。
参见图6，作为一个具体实施例：
所述吸热管13单排设置，相邻吸热管13之间设有吸热管储热组件222。
本实施方式吸热管13排布结构简单，相邻集热管13间无遮挡，吸热效率高。
本发明提供的具有储热能力的塔式太阳能吸热器，使用时具有以下特点：
所述具有储热能力的塔式太阳能吸热器具有吸热屏加热、保温，吸热管防堵，上述功能主要通过集箱保温装置21和吸热管储热保温装置22实现。
在吸热器启动后，集箱保温装置21中的壁挂式电热辐射板214和吸热管储热保温装置22的吸热管加热组件221同步启动。
所述壁挂式电热辐射板214会以红外线的形式将辐射能传递给集箱和连接管14，加热集箱和连接管14；外壳211、隔热层212、密封层213可起到减缓散热、防止外界雨水流入的作用，壁挂式电热辐射板214通过金属支架固定于外壳211上，连接稳固，且有助于加固隔热层212、密封层213与外壳211之间的连接。
所述吸热管13背部的吸热管加热组件221，可均匀加热吸热管13及吸热管储热组件222，当定日镜场反射过来的太阳光照射到吸热屏的受光面时，也会照射到吸热管储热组件222，使吸热管储热组件222升温，达到发生化学反应的温度，进而将太阳辐射能转化为热化学物质的化学能，从而实现储热；当天气发生变化，吸热屏接收的热流密度减小时，吸热管13壁温度和吸热管储热组件222的温度都会降低，当吸热管储热组件222的温度低于化学反应所需温度时，吸热管储热组件222内的热化学物质会发生氧化反应，将先前储存的化学能以热能的形式释放出来，用以加热吸热管13和吸热管13中的熔盐，从而减小了吸热管13管壁的温降速率，延长熔盐的温降时间，防止熔盐凝结，堵塞管路。
本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
