CN210374116U - 一种带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，包括腔体接收器、预热器、燃料供应系统和控制系统；腔体接收器包括吸热体，吸热体的侧壁中设有若干工质流道，工质流道两个开口连接到集气管Ⅱ和集气管Ⅰ；集气管Ⅰ、集气管Ⅱ分别与为斯特林热机的活塞、回热器连接；吸热体外侧设有燃气燃烧腔隙，燃气燃烧腔隙处设有电子点火器，燃气燃烧腔隙分别与预热器的燃料出口和烟气进口连接；预热器的燃料进口与燃料供应系统的出口连接，控制系统分别与燃料供应系统及电子点火器连接。本实用新型结构简单、操作方便且安全可靠；而且本实用新型实现了多余热能的存储与多余热能再次利用，以及燃气供热集成。

Description

一种带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器

技术领域

本实用新型属于太阳能光热利用领域，特别涉及一种带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器。

背景技术

太阳能是清洁环保和分布广泛的可再生能源。碟式斯特林太阳能热发电(DCSP)是开发和利用太阳能资源的一种重要技术，因为他具有发电效率高、布置灵活且模块化程度高等优点，被认为是解决能源短缺和环境污染问题的重要途径之一。DCSP采用碟式聚光器将太阳辐射能聚集在腔体接收器内，进而加热腔体接收器内部吸热器内部的流体工质，然后通过热力循环过程驱动斯特林热机及发电机组进行发电。

DCSP系统通常是以电站拟建地区的年平均或典型日子数的太阳直射辐照度值(简称DNI，单位W/m²)为额度值，来设计DCSP系统的腔体接收器及其吸热器结构。然而，电站建成后DCSP系统运行时，总会存在一定时间内的DNI值是大于额度值的，尤其是正午的一定时间段内。由于DCSP系统的额定功率是一定的，使得吸热器的金属加热管内部工质换热带走的热量一定且有限，过高的太阳聚集能流密度可能导致金属加热管发生烧蚀或融化等事故，直接影响着DCSP系统的运行安全性。在吸热器过热时通常是直接切断太阳光能的输入，而使得DCSP系统处于停机避险状态，没有真正实现高日照工况下正常发电运行。如果能将此部分多余的热能进行存储，等到太阳能对吸热器热量供应不足时再次利用，即实用新型带储热的腔体吸热器是提升碟式斯特林系统经济性的重要途径。现有技术中，由于与斯特林热机相连接的金属盘管式吸热器无法与储热介质直接一体化设计，因为金属管之间并不能形成密闭容器空间，需要另外设计储热罐，这会增加其复杂度和生产成本，而且也无法满足斯特林热机的使用情况，因为金属加热管管长是受限的。另外，有将金属加热管直接浸没在储热介质中，通过先加热储热介质后再将热能传递给金属管中的做功介质，但由于斯特林热机工作时需求的快速热能供应，此传热过程较难满足斯特林热机的能量需求响应。

而且，太阳能的供应是非稳定的，存在低辐照强度、云层遮挡、阴雨天气和夜晚等无法提供所需热能的情况，所以发明太阳能和燃气互补供热的吸热器也是提升碟式斯特林系统经济性能的重要途径之一。现有技术中有将燃烧器放在在腔体接收器内部用于燃料燃烧来加热金属管吸热器的，如果此时腔体接收器不增加石英窗则会导致燃烧热量的损失较大(由于对流和辐射损失等)，如果在腔体开口处增加石英窗可以大大减小燃烧热量的散失，但由于燃烧产生的烟尘会沉积在石英窗表面，而显著降低石英窗的透射率，导致聚光器聚焦的太阳光不能顺利进入腔体接收器内部来加热吸热器内工质。显然，现有技术存在一定的矛盾，需要进一步创新来解决上述技术问题。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种结构简单、操作方便、光-热转换效率高、安全可靠的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器；它将工质流道与腔体接收器壁面设计并制造成一体，实现腔体壁面内侧吸收太阳光能用于加热工质和储热介质，以及燃气燃烧直接对吸热器进行补热，燃烧产生的热烟气对混合的燃气进行预热再利用，提高燃烧效率和热能利用率；而且密闭空间燃烧使得热量散失少，提高能量利用率。

本实用新型采用的技术方案是：一种带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，包括腔体接收器、预热器、燃料供应系统和控制系统；所述的腔体接收器包括吸热体，所述的吸热体是一个中空的筒型结构，在吸热体的侧壁中设有若干工质流道，工质流道的一个开口连接到集气管Ⅱ，另一个开口通过连接弯管连接到集气管Ⅰ；所述的集气管Ⅰ和集气管Ⅱ的数量均与斯特林热机的活塞数量相同；集气管Ⅰ与为斯特林热机的活塞连接；集气管Ⅱ与斯特林热机的回热器连接；

吸热体的前端焊接有上封板，后端焊接有底封板，外侧封板两端分别与上封板和底封板焊接形成环形腔体空间；所述的吸热体侧壁上前后两端处对称焊接有储热腔封板，形成了两个环形的腔体空间，该两个腔体空间内填有储热介质；所述的吸热体侧壁上的中间部分设置有一个环形的均气环管，均气环管的内环面上设置多个通孔，均气环管内孔与外侧封板和储热腔封板之间的腔隙连通，均气环管处设有电子点火器，电子点火器的点火端位于均气环管内孔内；集气总管通过多个支路管与均气环管连通，集气总管连接预热器的燃料出口，预热器的燃料进口与燃料供应系统的出口连接；外侧封板和储热腔封板之间的腔隙设有烟气排放管，烟气排放管与预热器的烟气进口连接；控制系统分别与燃料供应系统及电子点火器连接。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的吸热体的侧壁上设有多个散热翅片，散热翅片位于储热腔封板与吸热体侧壁围成的环形腔隙空间内及均气环管的内孔内。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的外侧封板外侧设有一个环形的集气总管，集气总管通过多个之路管与均气环管连通；多个之路管沿圆周方向均匀布置；所述的集气总管上设有多个进气管，进气管与预热器的燃料出口连接。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的燃料供应系统包括空气流入管、燃气流入管、气体混合腔及出气管，所述的空气流入管上设有节流阀II、单向阀Ⅱ，燃气流入管上设有节流阀Ⅰ和单向阀Ⅰ；空气流入管和燃气流入管与气体混合腔连接，出气管与气体混合腔连接；出气管上设有截止阀和节流阀Ⅲ；节流阀Ⅰ、节流阀II和节流阀Ⅲ分别与控制系统连接；出气管与预热器的燃料进口连接。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的吸热体的前端面安装有石英窗，石英窗通过压板固定。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，吸热体的后端焊接有一个圆形板状的支撑板，所述的支撑板上还固定有反射锥，反射锥的外表面涂覆有耐高温涂层，该涂层对太阳光吸收率小。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的吸热体的内侧面上涂覆有耐高温涂层，该涂层对太阳光吸收率大。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的吸热体中的工质流道的截面为圆形、三角形、椭圆或矩形，工质流道沿程的截面大小是变化的。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的工质流道为螺旋状结构或n形结构；工质流道为螺旋状结构时，工质流道的两个开口分别位于吸热体的前端和后端；工质流道为n形结构时，吸热体侧壁内设有多个工质流道，多个工质流道沿圆周方向均匀布置，单个工质流道是从吸热体的后端开始再到吸热体前端转弯后通向吸热体后端。

上述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器中，所述的吸热体内的多个工质流道排布成截面为圆形，母线为渐开线形的几何结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1. 本实用新型实现了腔体壁面的吸收太阳光能与加热工质的功能集成，即使在吸热体内表面聚焦能流分布不均匀情况，由于金属体的高导热性能，能使各区域的温度梯度减小，具有均温效果，进而降低热应力和辐射热损失。另外，采用本实用新型的吸热体可以简化现有太阳能聚光器反射镜面形的设计难度，即很容易实现吸热体内光滑壁面的能流均匀化设计；以往的金属盘管吸热器很难做到能流均匀化，因为金属盘管形成的内腔表面总有一侧是无法直接接收聚集的太阳光能。

2. 本实用新型通过在吸热体的外侧增加多个填充相变储热材料的环形腔体空间，实现了多余热能的存储与多余热能再次利用，且结构简单、安全可靠。

3. 本实用新型吸热体的侧壁与均气环管内孔形成燃气加热腔，实现燃气燃烧直接对吸热器进行补热，且产生的热烟气对混合的燃气进行预热利用，提升了燃烧效率；由于燃烧室在腔体外侧，与接收聚焦太阳光能的腔体内侧以及安装在腔体前端的石英窗无关联，其燃烧产生的烟气不会污染石英窗，而且密闭空间燃烧使得热量散失非常少，提高了能量利用率。

4. 本实用新型的吸热器采用3D打印技术制造，这样形成的工质流道表面具有一定的粗糙度，可以提升换热性能。而且，本实用新型的流道可以是任意截面和空间几何形状，具有加工制造简单的优点。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的腔体接收器的俯视图。

图3为本实用新型的腔体接收器的等轴测视图。

图4为本实用新型的腔体接收器的剖面视图。

图5为本实用新型的腔体接收器部分零件的剖面视图。

图6为本实用新型的腔体接收器的吸热体的等轴测视图。

图7为本实用新型的腔体接收器采用的渐开线流道示意图。

图中：1—腔体接收器；2—预热器；3—燃料供应系统；4—斯特林热机；5—控制系统；6—节流阀Ⅰ；7—单向阀Ⅰ；8—节流阀Ⅱ；9—单向阀Ⅱ；10—气体混合腔；11—截止阀；12—节流阀Ⅲ；13—回热器；14—活塞；15—集气管Ⅰ；16—集气管Ⅱ；17—压板；18—石英窗；19—上封板；20—储热腔封板；21—烟气排放管；22—进出物料管；23—电子点火器；24—集气总管；25—支路管；26—进气管；27—外侧封板；28—底封板；29—支撑板；30—反射锥；31—翅片散热Ⅰ；32—均气环管；33—翅片Ⅱ；34—工质流道；35—吸热体；36—连接弯管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括腔体接收器1、预热器2、燃料供应系统3和控制系统5。所述的燃料供应系统3包括空气流入管、燃气流入管、气体混合腔及出气管，所述的空气流入管上设有节流阀II8、单向阀Ⅱ9，燃气流入管上设有节流阀Ⅰ6和单向阀Ⅰ7；空气流入管和燃气流入管与气体混合腔连接，空气和燃气在气体混合腔10中燃气和空气进行充分混合。出气管与气体混合腔连接。出气管上设有截止阀11和节流阀Ⅲ12；节流阀Ⅰ6、节流阀II和节流阀Ⅲ12分别与控制系统连接。气体混合腔10中经过充分混合后的燃料再经过截止阀11、节流阀Ⅲ12后达到预热器2中进行充分预热；所述的预热器2是一个换热装置，包括密闭的箱体，箱体上设有烟气进口和烟气出口，烟气进口用于由腔体接收器中燃烧产生的热烟气进入箱体，烟气出口用于烟气的排放。金属管路蛇形盘绕在预热器2的箱体内部进行充分换热，金属管路用于输送燃料，箱体内的烟气能对金属管路内的燃料加热，致使燃料的温度得到显著提升，以此来提升其燃烧的效率。

如图2-3所示，所述的腔体接收器包括吸热体35，所述的吸热体35是一个中空的圆筒型几何结构，如图6所示。在吸热体35内设有多个工质流道34，多个工质流道34沿圆周方向均匀分布。每个工质流道34从吸热体35的后端开始到吸热体35前端转弯后通向吸热体35后端，形成一个n形结构。工质流道34的一端连接到集气管Ⅱ16，另一端通过连接弯管36连接到集气管Ⅰ15。所述的集气管Ⅰ15和集气管Ⅱ16的数量为四个，四个集气管Ⅰ15和四个集气管Ⅱ16分别沿圆周方向均匀布置，用于四缸双作用斯特林热机。集气管Ⅰ15和集气管Ⅱ16的数量与斯特林热机的活塞数量相同。如图1所示，集气管Ⅰ15上设置有一个圆柱形腔体，该腔体连接斯特林热机的活塞14，为斯特林热机的活塞14提供工质热能。集气管Ⅱ16与斯特林热机的回热器13连接；这样就组成一个热做功-冷却-回热-再加热的循环回路。所述的吸热体35中的工质流道34的截面可以是多种几何形状，例如圆形、三角形、椭圆、矩形等，而且流道的截面沿长度方向可以是渐变的或者突变的，所述的这些复杂的流道几何结构可以采用3D打印技术增材制造；在金属打印过程中形成的工质流道表面具有一定的粗糙度，可以起到强化换热的效果，进而可以提升换热性能。

如图3-5所述，所述的吸热体35的前端面安装有石英窗18，石英窗18通过压板17采用螺钉进行固定。该石英窗18可以显著减少吸热体35的内腔中的热对流和热辐射损失，可以有效提升吸热体35的光热转换效率。所述的吸热体35的前端焊接有上封板19，后端焊接有底封板28，还有外侧封板27通过与上封板19和底封板28进行焊接来形成环形腔体空间。所述的吸热体35前后端对称焊接有储热腔封板20，储热腔封板20与吸热体35侧壁形成了两个环形的腔体空间，该空间内填有储热介质，例如熔盐、石蜡等。吸热体35的侧壁上焊接有多个散热翅片Ⅱ33，散热翅片Ⅱ33位于储热腔封板20与吸热体35侧壁形成的腔体空间中，散热翅片Ⅱ33用于提升储热介质与吸热体35之间的传热效率。进出物料管22贯穿外侧封板27和储热腔封板20，直达储热腔封板20与吸热体35侧壁形成的腔体空间，进出物料管22就是用于将储热介质填入到储热腔中的通道，增填物料后进行封堵。通过在吸热体35的外侧增加多个填充相变储热材料的环形腔体，直接实现了多余热能的存储与再次利用等功能的集成，且结构简单、安全可靠。需要注意，所述的储热腔封板20的外环形壁面的直径要小于外侧封板27的环形内径，外侧封板27和储热腔封板20之间的腔隙设有烟气排放管21，烟气排放管21与预热器2的烟气进口连接。

所述的吸热体35的中间部分也焊接有系列的散热翅片Ⅰ31，相应的位置设置有一个环形均气环管32，均气环管32的内环面上设置有多个通孔，用于实现燃料的均匀分散和燃烧供热。均气环管32的内孔与储热腔封板20和外侧封板27之间的腔隙连通。均气环管32通过多个支路管25与集气总管24连通，支路管25贯穿外侧封板27和均气环管32的外侧壁面后与均气环管32连通，多个支路管25沿圆周方向均匀布置，所述的集气总管24为环状结构，集气总管24位于外侧封板27外侧。集气总管24上设有多个进气管26，并与进气管26连通，多个进气管26在圆周方向上阵列设置。

所述进气管26均与预热器2的燃料出口连通，实现预热后的燃料通入到均气环管32中，然后分散到吸热体的外侧壁面进行充分均匀的燃烧供热。在均气环管32上贴近散热翅片Ⅰ31的位置设置有电子点火器23，电子点火器23与控制系统5连接。吸热体35侧壁与均气环管32的内孔围成燃气加热腔，实现燃气燃烧直接对吸热器进行补热，且产生的热烟气对混合的燃气进行预热利用，提升燃烧效率。由于燃气加热腔在吸热体35外侧，与接收聚焦太阳光能的吸热体35内侧以及安装在吸热体35前端的石英窗18无关联，其燃烧产生的烟气不会污染石英窗18，而且密闭空间燃烧的热量散失非常少，提高了能量利用率。

吸热体35的后端还焊接有一个圆形板状的支撑板29，从而与吸热体形成了一端透光的圆柱腔体。所述的支撑板29上还固定有反射锥30，反射锥30的外表面涂覆有对太阳光进行高反射率的耐高温涂层，用于将后端的太阳光再次反射到吸热体35的圆柱侧壁面上。所述的吸热体35的内部圆柱侧壁面上涂覆有对太阳光高吸收率的耐高温涂层。

如图1所示，控制系统5均与节流阀Ⅰ6、节流阀Ⅱ8、节流阀Ⅲ12、电子点火器23进行连接，实现对节流阀Ⅰ6、节流阀Ⅱ8、节流阀Ⅲ12、电子点火器23的准确控制。

所述的吸热体35还可以是圆锥结构、球形结构或其他复杂结构，其工质流道34是空间复杂曲线结构，如图7所示，所述的吸热体35内的多个工质流道34排布成截面为圆形，母线为空间渐开线形的几何结构，这样可实现工质流道最大面积的覆盖整个吸热体35的侧壁。所述的吸热体35的工质流道34还可以是螺旋状结构，工质流道34是螺旋状结构时，工质流道34的两个开口分别位于吸热体35的前端和后端；冷工质从一端进入后经过吸热体35进行加热后，从另外一端流出热工质，然后在被后续利用。

Claims (10)

1.一种带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，包括腔体接收器、预热器、燃料供应系统和控制系统；其特征是：所述的腔体接收器包括吸热体，所述的吸热体是一个中空的筒型结构，在吸热体的侧壁中设有若干工质流道，工质流道的一个开口连接到集气管Ⅱ，另一个开口通过连接弯管连接到集气管Ⅰ；所述的集气管Ⅰ和集气管Ⅱ的数量均与斯特林热机的活塞数量相同；集气管Ⅰ与斯特林热机的活塞连接；集气管Ⅱ与斯特林热机的回热器连接；

吸热体的前端焊接有上封板，后端焊接有底封板，外侧封板两端分别与上封板和底封板焊接形成环形腔体空间；所述的吸热体侧壁上前后两端处对称焊接有储热腔封板，形成了两个环形的腔体空间，该两个腔体空间内填有储热介质；所述的吸热体侧壁上的中间部分设置有一个环形的均气环管，均气环管的内环面上设置多个通孔，均气环管内孔与外侧封板和储热腔封板之间的腔隙连通，均气环管处设有电子点火器，电子点火器的点火端位于均气环管内孔内；集气总管通过多个支路管与均气环管连通，集气总管连接预热器的燃料出口，预热器的燃料进口与燃料供应系统的出口连接；外侧封板和储热腔封板之间的腔隙设有烟气排放管，烟气排放管与预热器的烟气进口连接；控制系统分别与燃料供应系统及电子点火器连接。

2.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的吸热体的侧壁上设有多个散热翅片，散热翅片位于储热腔封板与吸热体侧壁围成的环形腔隙空间内及均气环管的内孔内。

3.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的外侧封板外侧设有一个环形的集气总管，集气总管通过多个之路管与均气环管连通；多个之路管沿圆周方向均匀布置；所述的集气总管上设有多个进气管，进气管与预热器的燃料出口连接。

4.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的燃料供应系统包括空气流入管、燃气流入管、气体混合腔及出气管，所述的空气流入管上设有节流阀II、单向阀Ⅱ，燃气流入管上设有节流阀Ⅰ和单向阀Ⅰ；空气流入管和燃气流入管与气体混合腔连接，出气管与气体混合腔连接；出气管上设有截止阀和节流阀Ⅲ；节流阀Ⅰ、节流阀II和节流阀Ⅲ分别与控制系统连接；出气管与预热器的燃料进口连接。

5.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的吸热体的前端面安装有石英窗，石英窗通过压板固定。

6.根据权利要求5所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：吸热体的后端焊接有一个圆形板状的支撑板，所述的支撑板上还固定有反射锥，反射锥的外表面涂覆有耐高温涂层，该涂层对太阳光吸收率小。

7.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的吸热体的内侧面上涂覆有耐高温涂层，该涂层对太阳光吸收率大。

8.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的吸热体中的工质流道的截面为圆形、三角形、椭圆或矩形，工质流道沿程的截面大小是变化的。

9.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的工质流道为螺旋状结构或n形结构；工质流道为螺旋状结构时，工质流道的两个开口分别位于吸热体的前端和后端；工质流道为n形结构时，吸热体侧壁内设有多个工质流道，多个工质流道沿圆周方向均匀布置，单个工质流道是从吸热体的后端开始再到吸热体前端转弯后通向吸热体后端。

10.根据权利要求1所述的带储热的太阳能—燃气供热腔体接收器，其特征是：所述的吸热体内的多个工质流道排布成截面为圆形，母线为渐开线形的几何结构。

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