用于太阳能塔式发电的新型平板式吸热器及使用其的系统

本发明涉及一种适用于太阳能塔式发电的平板式吸热器及使用其的系统，属于太阳能高温热利用技术领域。

背景技术：

进入21世纪，随着化石燃料的日渐枯竭以及环境污染的日益严重，能源问题成为制约我国经济快速发展的瓶颈。太阳能作为一种储能巨大、清洁环保、分布广阔的可再生能源，正成为能源领域研究和开发利用的热点。其中塔式太阳能热发电系统具有聚光倍数高，光热转换效率高以及发电成本低等优点而得到快速发展；但塔式太阳能热发电系统的吸热器由于在非稳态、不均匀、高能流密度的热载荷作用下工作，存在局部过热、热疲劳、热棘轮等问题，对吸热器的稳定性和可靠性产生严重的影响，已经成为影响塔式热发电系统性能的一个关键技术问题。同时，为了提高聚光倍数，需要广阔的定日镜场，也就需要将吸热器放置在更高的镜场焦点上，由此引发较大的迎风面积和相对地面更高的重心，造成吸热器及中心塔的不稳定。在焦点位置和吸热面积不变的情况下，便需要将吸热器结构进行调整以解决上述问题。

吸热器是塔式太阳能热发电系统的核心部件，直接式的吸热器在吸光板和冷流体之间存在巨大的温差，使吸热器产生热应力造成破坏，缩减使用寿命。传统热管式的吸热器需要冷凝段位于蒸发段上方，使吸热器在相同吸热面积的情况下具有更高的重心和体积。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于太阳能塔式发电的新型平板式吸热器，该平板式吸热器吸光板均温性好，热应力小，热传递效率高，寿命长，能解决现有吸热器在非稳态、不均匀、高能流密度的热载荷作用下的局部过热、热疲劳等造成的使用寿命过短的问题。同时该平板式吸热器在相同吸热面积的情况下具有更低的重心和体积，能解决现有热管式吸热器高度和重心过高、体积过大的问题。

本发明的目的还在于提供一种使用上述用于太阳能塔式发电的新型平板式吸热器的系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

用于太阳能塔式发电的新型平板式吸热器，包括由外向内设置的吸光板、金属纤维毡、金属丝网、格栅、隔板、翅片、盖板，盖板上设有进口管和出口管，所述吸热器的侧面设有封条形成密封环境；所述隔板上穿过设有充注管；吸光板、隔板、封条和充注管组成热板侧，热板侧内部为真空状态设有金属纤维毡、金属丝网、格栅和传热流体，传热流体经充注管进入；隔板、翅片、封条、盖板、进口管、出口管组成换热侧，工作流体通过进口管、出口管流经换热侧，传热流体利用热管原理间接传热的方式将热能传递至循环的工作流体；所述吸热器中传热流体的蒸发面和冷凝面在同一水平线上。

进一步地，所述传热流体从吸光板吸热蒸发且在隔板冷凝放热，冷凝后的传热流体通过格栅回流至吸光板的内表面进入下一轮循环；所述冷凝放热的热量通过隔板和翅片传递给工作流体。

进一步地，所述格栅采用3d打印或钎焊的方式连接在隔板的冷凝面，并从隔板的冷凝面向吸光板的蒸发面倾斜10°～30°的角度，格栅的高度方向延伸至金属丝网的表面。

更进一步地，所述格栅设为倾斜的正六边形边框，且在纵向上最低处为边框的棱边；每个边面在远离冷凝面和棱边的位置，均开出不超过边框边长的通孔，每个正六边形边框与相邻的六个正六边形边框通过通孔相通；或者，所述格栅设为倾斜的三角棱片，同层的三角棱片不连续，不同层的三角棱片相互错开位置。

进一步地，所述隔板上还设有多个水平设置的折流板，相邻的折流板的末端错开排布；所述翅片为锯齿形翅片，与折流板在换热侧内部共同形成多回程的换热流道；进口管和出口管在换热侧的斜对角线上，进口管在出口管的上方；工作流体为空气或超临界二氧化碳。

进一步地，所述吸光板的外表面涂覆耐高温的吸光涂层，内表面设有微凹坑表面；金属纤维毡紧贴吸光板内表面，被金属丝网覆盖，金属丝网和金属纤维毡点焊于吸光板内表面；所述传热流体为液态金属，传热流体的充装率为工作条件下热板侧容积的30％～50％；所述吸光板、金属纤维毡、金属丝网、格栅、隔板、封条、热电偶管、充注管的材料设为不锈钢、高温镍基合金或钛合金。

进一步地，所述吸热器还设有热电偶管，热电偶管和充注管穿过换热侧至热板侧内部；充注管在传热流体充入后在充注管的末端压死且焊接密封；热电偶管在热板侧前端用封板与通管焊接密封，内部放置热电偶，感温点与封板相接触，热电偶管在传热流体液面以上，并且不接触金属丝网和格栅。

一种太阳能塔式发电系统，包括防风罩、循环管路和上述任意之一所述的用于太阳能塔式发电的新型平板式吸热器，防风罩将平板式吸热器和循环管路罩入其中，循环管路设在平板式吸热器的内侧，平板式吸热器通过循环管路实现并联，每一个平板式吸热器均为独立的吸光传热元件。

进一步地，所述防风罩包括防风盖板和紧密平行排列的防风叶片；所述循环管路包括进口总支管、进口环形管、进口总管、出口总支管、出口环形管、出口总管，进口环形管上设有两个相对设置的进口总管，在进口环形管上垂直设有平行的多个进口总支管；出口总支管、出口环形管、出口总管三者的设置关系同上述进口总支管、进口环形管、进口总管；进口环形管和出口环形管相互平行，进口支总管和出口总支管一一对应设置；所述进口总支管包括支管主体、支管法兰、支管分支和支管封头，出口总支管的结构和上述进口总支管相同，支管分支与平板式吸热器的所述进口管和出口管通过螺纹或法兰连接，同时也可以作为固定平板式吸热器的支架。

进一步地，所述进口总支管、进口环形管、进口总管的直径一一大于所述出口总支管、出口环形管、出口总管的直径；同一块平板式吸热器对应的进口总支管和出口总支管之间的间距大于平板式吸热器的厚度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

热管原理的间接传热方式，避免吸光板与冷流体之间的直接换热，可以减小平板式吸热器由于巨大的温差造成的热应力、热变形、热疲劳，延长使用寿命；

液态金属作为传热流体，熔点相对较低，且具有较高的沸腾温度和优良的传热特性，允许在更高的热流强度下运行，实现更高的工作流体出口温度；

金属纤维毡的毛细作用和格栅的回流作用共同使液态的传热流体更加均匀的分布在蒸发面上，使吸光板具有更好的均温性能，避免出现局部过热等问题；

新型的平板式吸热器容易实现标准化，模块化，通过循环管路实现并行连接，每一个平板式吸热器均作为独立的吸光传热元件，在上下左右紧密堆叠成吸热屏，工作时互不影响，通过热电偶管内的热电偶实时观测平板式吸热器的工作状态，出现损坏时亦可独立更换，安全性更好，维修更方便，维修成本更低。

综上，本发明用于太阳能塔式发电的新型平板式吸热器其使用其的系统采用热管原理间接传热的方式，使平板式吸热器吸光板具有良好的均温性能，可以耐受高热流密度和热冲击，防止局部过热和热斑的出现，为发电系统提供高温且稳定的工作流体输入。本发明采用热管原理，在平板式吸热器的热板侧内以液态金属作为传热流体，提高了受热面的均温性和热能的传递效率，延长了平板式吸热器的使用寿命，同时兼顾吸热器的加工使用和维修更换(在实际的太阳能塔式系统中，其直径和高度可达几十米甚至几百米，因此在中心塔内部往往设置有电梯等载具，以方便工作人员和维修人员进行检修。因此需要强调的是同一块平板式吸热器对应的进口总支管和出口总支管之间的间距大于平板式吸热器的厚度，这是在设计该平板式吸热器时需要考虑的。在进行更换时，可将平板式吸热器进出口管的连接法兰及固定装置拆除，将其从进出口总支管之间回收至载具并进行新平板式吸热器的更换)，以模块化拼组的方式，解决了大型化维修成本高昂的问题。

此外，从图12的吸热器工作原理及高度对比图可以看出，传统的热管式吸热器需要将冷凝段放置于蒸发段上方，冷凝的液态传热流体沿着壁面回流至蒸发段，使蒸发段具有更好的均温性能。而本发明所提出的新型平板式吸热器的冷凝段与蒸发段在同一水平高度上，依靠格栅的回流作用以及工作流体进口位置和翅片的流道排布的组合，实现冷凝的液态传热流体回流至蒸发面，并在重力作用和金属纤维毡的毛细作用的组合下均布于蒸发面，以获得更好的均温性能。等效为以上传统的热管式吸热器。由于本发明所提出的新型平板式吸热器的冷凝段、绝热段和蒸发段位于同一水平高度，使新型平板式吸热器与传统的热管式吸热器相比，在保持相同的吸热面积情况下，高度至少减小了一半。因此吸热器的重心及中心塔的重心均会下移，同时也使吸热器的迎风面积减小了一半。这在同等风力的条件下，吸热器及中心塔的固定装置承载更小的作用力，提高了吸热器及中心塔的稳定性及安全性，降低了钢材消耗和生产成本。

附图说明

图1为本发明的新型平板式吸热器及其系统图。

图2为本发明的新型平板式吸热器及其系统仰视图。

图3为本发明的防风罩外形图。

图4为本发明的新型平板式吸热器分解图。

图5为本发明的新型平板式吸热器中间纵剖图。

图6为本发明的新型平板式吸热器中间纵剖图局部放大图。

图7为本发明的新型平板式吸热器吸光板外形图。

图8为本发明的新型平板式吸热器正六边形格栅外形图。

图9为本发明的新型平板式吸热器三角棱片格栅外形图。

图10为本发明的循环管路外形和流动路线图。

图11为本发明的循环管路进口总支管的局部放大图。

图12为吸热器工作原理及高度对比图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的发明内容、特点及功能，现结合说明书附图和具体的实施例，对其作详细描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图4所示，一种用于太阳能塔式发电的新型平板式吸热器及使用其的系统，该系统包括防风罩1、平板式吸热器2和循环管路3。在平板式吸热器2内采用热管原理进行间接传热，实现吸光板2.1更好的均温性能。工作过程中，聚焦的高能流密度太阳能透过防风罩1，照射在平板式吸热器2的吸光板2.1上，并被吸光涂层2.1.1吸收转化为热能，通过吸光板2.1传递至吸光板2.1内侧蒸发面，传热流体吸热后蒸发汽化，蒸汽携带大量热量在隔板2.6冷凝面放热冷凝，一方面冷凝液沿着格栅2.4倾斜的方向回流至金属纤维毡2.2和金属丝网2.3上，金属纤维毡2.2的毛细作用和格栅2.4的回流作用使液态传热流体分布在吸光板2.1内侧蒸发面上，另一方面冷凝放出的热量通过翅片2.5和隔板2.6传递至翅片2.5和隔板2.6换热面，工作流体流经翅片2.5和隔板2.6，吸收热量进入循环管路3。热管具有优良的等温性能和导热能力，间接的传热方式提供吸光板2.1更好的均温性能。

如图1和图3所示，防风罩1由高透光、低热导率、耐高温、低密度高强度的玻璃或强化塑料制成，包括紧密排列的防风叶片1.1和防风盖板1.2，将平板式吸热器2和循环管路3罩在其中。防风叶片1.1可以避免水平方向的空气流动导致的热损失，防风盖板1.2可以避免高温的平板式吸热器2造成轴向对流产生热损失。

如图4所示，平板式吸热器2包括吸光板2.1、金属纤维毡2.2、格栅2.4、传热工质(传热流体)、翅片2.5和工作流体等，利用传热工质的气液相变过程提供快速的热传递。传热工质的相变过程可以实现大热流的快速传递，具有很高的导热能力。

如图4和图5所示，吸光板2.1与隔板2.6、封条2.7、热电偶管2.9和充注管2.10组成热板侧，热板侧内部为真空状态，包含金属纤维毡2.2，金属丝网2.3、格栅2.4和传热流体。此外，翅片2.5与隔板2.6、封条2.7、进口管2.11、盖板2.12、出口管2.13和吸热器法兰2.14组成换热侧，工作流体通过进口管2.11、出口管2.13和吸热器法兰2.14流经换热侧。热板侧的真空环境一方面可以避免不凝性气体对热板侧性能的影响，另一方面也可避免对传热流体氧化等变质反应。

如图6和图7所示，吸光板2.1的外表面涂覆耐高温的吸光涂层2.1.1，如武汉理工大学程旭东研制的p1501(ni-mo基)金属涂层材料或p2712(co-wc基)金属-陶瓷涂层材料，吸光板2.1的内表面通过激光蚀刻等工艺形成微凹坑表面2.1.2，微凹坑的形状、直径、深度及间距可根据最新的研究成果进行优化，如以chatpun提出的孔穴直径约10微米，孔穴间距约3毫米，hutter提出孔穴深度影响不大。热板侧内部的金属纤维毡2.2紧贴吸光板2.1内表面，被金属丝网2.3覆盖，并使用镍片将金属丝网2.3和金属纤维毡2.2点焊于吸光板2.1内表面，点焊的位置与格栅2.4的正六边形边框2.4.1中心的位置相对应；格栅2.4采用3d打印或钎焊等加工工艺直接连接在隔板2.6的冷凝面，并从冷凝面向蒸发面倾斜一定的角度θ(10°～30°)，延伸至金属丝网2.3表面；传热流体充装率为工作条件下热板侧容积的30％～50％。

吸光板2.1的微凹坑表面2.1.2可以为传热流体的蒸发提供更多的沸腾核心，强化蒸发或沸腾传热；使用镍片点焊可以使金属纤维毡2.2和金属丝网2.3更紧固的贴附在吸光板2.1内表面，点焊在格栅2.4正六边形边框2.4.1中心对应的位置，可以使金属纤维毡2.2和金属丝网2.3膨胀鼓起的位置在正六边形边框2.4.1上，更好的吸收沿棱边回流的液态传热工质；格栅2.4直接连接在隔板2.6上，相当于扩展冷凝表面积，强化冷凝，同时也可避免冷凝的液态传热工质沿冷凝面流至热板侧底部；格栅2.4倾斜的θ角度可以使冷凝的液态传热工质更快的回流至金属丝网2.3，避免在格栅2.4内的聚积；传热流体的充装率需要根据工况选定，过少会出现干涸现象导致过热，过多则会缩小相变传热的区域，失去热管的优势。

如图8和图9所示，如格栅2.4为倾斜的正六边形边框2.4.1，且在纵向上最低处为边框的棱边(在三维空间上正六边形边框呈现的棱边，以其中截面观察可得正六边形，棱边即对应为正六边形角点，要求正六边形对应的两个角点在最高点和最低点，最高点和最低点不可以替换为边，即三维空间的正六边形边框的边面)；每个边面在远离冷凝面和棱边的位置，均开出不超过边框边长的通孔，每个正六边形边框2.4.1与相邻的六个正六边形边框2.4.1通过通孔相通。

如格栅2.4或可采用倾斜的三角棱片2.4.2，同层的三角棱片2.4.2不连续，不同层的三角棱片2.4.2相互错开位置。正六边形边框2.4.1和三角棱片2.4.2的设计目的均是使冷凝的液态传热流体流回至蒸发面对应位置。冷凝的传热流体沿着正六边形边框2.4.1棱边的流动速度大于沿正六边形边框2.4.1边面的流动速度；通孔可以保证热板侧内的压力平衡，传热流体蒸汽可以自由流动，向冷凝效果更显著的低压区流动；三角棱片2.4.2错开位置均是基于以上流动速度和压力平衡的考量。

如图4所示，传热流体为液态金属，如钠、钾、铯、锂、钠钾合金等。吸光板2.1、金属纤维毡2.2、金属丝网2.3、格栅2.4、隔板2.6、封条2.7、热电偶管2.9、充注管2.10材料为不锈钢，高温镍基合金或钛合金等与传热流体相容的材料。液态金属具有较高的沸腾温度和优良的传热特性，允许在更高的热流强度下运行，实现更高的工作流体出口温度，但对封装的材料具有相容性要求。

如图6所示，热电偶管2.9和充注管2.10穿过换热侧至热板侧内部；充注管2.10在传热流体充入后在充注管2.10的末端压死且焊接密封。热电偶管2.9在热板侧前端用封板2.9.1与通管2.9.2焊接密封，内部放置热电偶，感温点与封板2.9.1相接触，热电偶管2.9在传热流体液面以上，并且不接触金属丝网2.3和格栅2.4。热电偶管2.9和充注管2.10均从换热侧伸出，可以保证吸光板2.1的完整性，且可以使封条2.7平整，实现平板式吸热器2上下左右拼装为吸热屏；热电偶管2.9内的热电偶测量传热流体蒸汽的饱和温度，以此作为判断平板式吸热器2工作状态和损毁的依据。

如图4所示，翅片2.5为锯齿形翅片，与折流板2.8在换热侧内部共同形成多回程的换热流道，在图4中即为单流道五回程的换热流道排布，同时，要求换热流道的回程必须为水平方向排布，不可以竖直方向排布，以保证隔板的温度呈竖直方向梯度变化，隔板最上部的水平流道温度最低。进口管2.11和出口管2.13在换热侧的斜对角线上，进口管2.11必须在出口管2.13上方，通过螺纹或吸热器法兰2.14与循环管路3相连；工作流体为空气或超临界二氧化碳等工质。

多回程的换热流道可以延长工作流体的换热时间，提高工作流体的出口温度；进口管2.11在出口管2.13上方，可以使冷凝面上部温度更低，冷凝更多的传热流体，更多的液态传热流体回流至金属纤维毡2.2和金属丝网2.3的上部，在重力作用和毛细作用的协同影响下使吸光板2.1上部具有更多的传热流体；出口管2.13在下方，可以提高下部液态传热流体的温度，使其更多的蒸发沸腾产生传热流体蒸汽；以上两点共同作用下可以使吸光板2.1表面分布的液态传热流体更均匀，吸光板2.1温差更小，均温性能更好；与循环管路3通过螺纹或法兰连接后，可以更方便拆装、扩展；工作流体可以根据发电系统的要求更换各种工质。

如图10和图11所示，循环管路3由进口总支管3.1、进口环形管3.2、进口总管3.3、出口总支管3.4、出口环形管3.5、出口总管3.6组成，进口环形管3.2上设有两个相对设置的进口总管3.3，在进口环形管3.2上垂直设有平行的多个进口总支管3.1；出口总支管3.4、出口环形管3.5、出口总管3.6三者的设置关系同上述进口总支管3.1、进口环形管3.2、进口总管3.3。进口环形管3.2和出口环形管3.5相互平行，且进口支总管3.1和出口总支管3.4一一对应设置。

所有出口管路的直径均大于进口管路的直径(进口总支管3.1、进口环形管3.2、进口总管3.3的直径一一大于出口总支管3.4、出口环形管3.5、出口总管3.6的直径)；进口总支管3.1包括由支管主体3.1.1、支管法兰3.1.2、支管3.1.3分支和支管封头3.1.4，出口总支管3.4的结构和上述进口总支管3.1相同，支管分支3.1.3与平板式吸热器2的进口管2.11通过螺纹或法兰连接，同时也可以作为固定平板式吸热器2的支架。

要求同一块平板式吸热器2对应的进口总支管3.1和出口总支管3.4之间的间距大于平板式吸热器2的厚度。出口管路的直径大于进口管路是由于出口温度更高，工作流体膨胀，避免出口管路内的流速过快导致的震动等问题；通过循环管路3作为固定平板式吸热器的辅助支架，可以提高平板式吸热器2外挂式安装的安全性；进口总支管3.1和出口总支管3.4之间的距离大于平板式吸热器2的厚度，可以方便从塔式太阳能系统内部的塔架对平板式吸热器2的拆装施工。

如图1和图2所示，多块平板式吸热器2通过循环管路3实现并联，每一个平板式吸热器2均作为独立的吸光传热元件，在上下左右紧密堆叠成吸热屏，工作时互不影响，损坏时亦可进行独立更换。并联式的吸热屏在工作过程中具有更高的稳定性和安全性，也使平板式吸热器2实现小型化和模块化，加工维修成本更低。