一种太阳能热发电用石英固体颗粒吸热器

本发明涉及太阳能热发电，特别是涉及一种太阳能热发电用石英固体颗粒吸热器。

背景技术：

1、塔式太阳能热发电技术由于具有较高的聚光比，能量转换率高，系统较为稳定，发电成本低等优点，已成为未来太阳能热利用技术的发展方向。太阳能热发电站中，吸热器作为太阳能转换成热能的关键装置，是塔式太阳能电站中的核心设备，对于提升电站的工作效率至关重要。目前国内外已经开发出多种吸热器并投入工程应用。水蒸气作为传热介质存在出口温度低、输出功率小和不能直接储热等缺点。导热油作为传热介质，存在系统操作温度低从而限制系统发电效率的问题，运行过程中有渗氢的风险。熔融盐作为传热介质在温度高于565℃时化学性质不稳定，低于220℃时则会凝固从而影响系统的安全运行。而采用固体颗粒作为传热介质，具有使用温度范围大，出口温度高(大于700℃)、可直接用于储热、物理和化学性质稳定、易于获取和储存、可驱动超临界朗肯循环或超临界二氧化碳布雷顿循环以进一步提高发电效率(40％-80％)等优点，以固体颗粒为传热流体的吸热器为提升太阳能热发电站的效率创造了条件。

2、近年来，国内外许多学者均提出了新型固体颗粒吸热器。固体颗粒吸热器分为多种类型，如自由下落式、阻碍下落式、旋转窑式和流化床式等。中国专利cn102679578a公布了一种在石英玻璃管束内自由下落的固体颗粒吸热器，固体颗粒在石英玻璃管束内自由下落过程中被加热，热颗粒在旋风分离器中将热量传递给空气，其缺点是颗粒流速过快，单次下落时的温度升高较小且颗粒的输运和旋风分离会消耗大量的机械功。中国专利cn214665284u公布了一种新型高温固体颗粒吸热器及系统，固体颗粒在管屏内自由下落的过程中被加热，缺点同样是固体颗粒单次下落过程中温升较小，且固体颗粒温度分布极不均匀。中国专利cn110017618a公布了一种下降式变截面太阳能固体颗粒吸热器，能够在固体颗粒下降过程中减缓流动速度以延长吸热时间，同时缩小下降截面增强颗粒的径向掺混，但截面缩小过程不连续，存在颗粒堵塞问题。中国专利cn108458506a公布了一种填充内插件石英管式颗粒吸热器，颗粒在流动方向的流道截面渐缩，能够有效实现有序的颗粒流动轨迹，但是存在太阳光无法照射到的区域，吸热效果不佳。美国专利us9732986b2公布了一种在流道中使用多孔介质延缓固体颗粒下落速度并强化换热的方法，但由于其使用的多孔介质材料孔隙较小，固体颗粒会造成多孔介质的堵塞。美国专利us20120132398公布了一种倒v型金属结构延缓固体颗粒下落的颗粒吸热器，其耐久性有待考量。中国专利cn105135716a公布了一种带内插件的管式固体颗粒吸热器，固体颗粒在管内螺旋旋转插件内自上而下流动，有效地增加了颗粒的辐射停留时间，但是存在固体颗粒流动过程出现堵塞的风险。中国专利cn114576874a公布了一种填充异型陶瓷管的太阳能热发电用固体颗粒吸热器，固体颗粒在石英玻璃管及陶瓷管的空隙内流动，但夹层内存在未受太阳辐照直射的固体颗粒导致固体颗粒平均温度提升受限的不足。中国专利cn108592419a公布了一种利用螺旋形石英玻璃管组件的延缓式下落固体颗粒吸热器设计，有效地增加了颗粒的辐射停留时间，同样存在内侧颗粒未能接受太阳辐照直射导致固体颗粒吸热不均匀。中国专利cn115900100a公布了一种采用螺旋轴的太阳能热发电用固体颗粒吸热器，能够在延长固体颗粒下落流通通道长度，降低固体颗粒下落速度的同时，实现固体颗粒均匀地吸收太阳能，增强固体颗粒间的接触传热，但由于旋转部件的稳定性难以保证，工程实施风险不明。

3、综上所述，现有下落式固体颗粒吸热器具有如下缺点：

4、(1)自由下落式颗粒吸热器中的固体颗粒靠重力做自由落体运动，在太阳光加热段停留时间短，一次加热温度升高少，需反复加热。固体颗粒温度分布极不均匀，受光面的颗粒能够获得较大温升，背光面颗粒仅能依靠导热作用升温。

5、(2)阻碍下落式颗粒吸热器中流通通道容易堵塞，填充的金属阻碍物受热容易损坏。固体颗粒下落过程为重力方向移动，缺少混合，极易造成外层受热颗粒超温而内层温度低的情况，吸热器表面辐射热损失极大，导致吸热器传热效率低。

6、(3)采用陶瓷或天然沙类固体颗粒吸收率的提升范围有限，且吸收率的提高将导致固体颗粒自身温度升温过快，存在超温融化堵塞固体颗粒流道的风险。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种太阳能热发电用石英固体颗粒吸热器，以解决上述现有技术存在的问题，固体颗粒加热过程中的温度分布更为均匀，吸热器表面热损失减小，提高传热效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种太阳能热发电用石英固体颗粒吸热器，包括颗粒分配器、石英吸热组件和颗粒收集器，所述石英吸热组件包括自上而下依次连接的石英玻璃管、漏斗和调节阀，所述颗粒分配器的下端出口处通过出口调节阀与所述石英玻璃管的上端连接，所述调节阀的下端端口与所述颗粒收集器连接，还包括石英固体颗粒，所述石英固体颗粒由所述颗粒分配器经所述出口调节阀流入所述石英玻璃管内的固体颗粒流道，而后经所述漏斗和所述调节阀流入所述颗粒收集器，所述调节阀用于控制所述石英固体颗粒的流量。

4、优选地，所述石英玻璃管的壁厚为3mm-10mm，直径为50mm-200mm，长度为1000mm-6000mm。

5、优选地，所述石英固体颗粒为粒径100μm-2000μm的石英颗粒，所述石英颗粒在有氧环境下并在-50℃-1300℃温度范围内，全波段平均透过率不高于0.8。

6、优选地，所述石英吸热组件设有多个，各所述石英玻璃管内的所述固体颗粒流道的几何形状相同或不同。

7、优选地，各所述石英玻璃管互相平行。

8、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

9、(1)石英固体颗粒为具有一定透过率的半透明颗粒，太阳光线多次透过石英固体颗粒后将被改变传输路径，使其能够在更多固体颗粒间传输，实现光线的长距离传输，固体颗粒单次下落过程中被多次加热且背光侧固体颗粒同样能够接收到太阳辐射能流，从而使固体颗粒整体的受光更为均匀。石英固体颗粒吸收率较高，可以通过直接接触的热传导或缝隙间的热辐射与周围石英颗粒进行换热，使得石英颗粒整体温度分布更为均匀。

10、(2)温度最高的石英固体颗粒位于石英玻璃管远离受光面的位置，降低了最外侧石英固体颗粒温度，从而降低其对外部石英玻璃管的导热，石英玻璃管表面温度较低，石英玻璃管对外部环境的散热减小，吸热器表面热损失减小，吸热器热效率能够有效提高。

11、(3)石英固体颗粒直接吸收太阳辐射，石英固体颗粒随着加热过程的进行温度逐渐升高，吸收率逐渐降低，固体颗粒储热能力提高且不存在超温的风险。同时透过率逐渐升高，太阳辐射能流能够传播的距离更远，使得石英固体颗粒的最高温度点更加远离受光面，吸热器热损失更小。

12、(4)石英固体颗粒与石英玻璃管材料一致，工作温度范围宽，材料性能稳定，具有相同的物理性能及化学性能参数，可避免温度变化引起的热应力破坏。

13、(5)下落过程中石英固体颗粒的流量可调，能够在适应外部辐射能流强度波动的同时稳定对外输出热功率，获得较为平稳的输出热量，提高设备输出性能和可靠性。