高温换热器与热声发电系统

1.本发明涉及太阳能热发电系统技术领域，尤其涉及一种高温换热器与热声发电系统。


背景技术：

2.热声发电机是由热声发动机和直线电机组成的以氦气等惰性气体为工质的新型热电转换装置。热声发电机外燃式的特点使其具有广泛的热源利用形式，热源利用形式包括燃料燃烧、工业余热废热、核废热、太阳能聚光等。其中太阳能因其具有安全可靠、清洁绿色以及可再生等特点，成为热声发电机众多热源中的理想能源之一。
3.高温换热器作为光线的捕捉、热能的吸收与传导乃至存储的关键部件，其结构对太阳能光热发电系统的发电效率和能量利用效率影响显著。
4.其中，管束式直接照射型高温换热器为目前较为成熟的太阳能热声发电机吸热器的方案，但现有的直接照射型高温换热器光热转换效率较低，需要对其进行改进。


技术实现要素：

5.本发明提供一种高温换热器与热声发电系统，用以解决现有技术中高温换热器光热转换效率较低的缺陷。
6.本发明提供一种高温换热器，包括：集热部与换热部，集热部的一端部分布有多个槽孔，所述槽孔的开口端适于朝向太阳能聚光器；换热部的一侧与所述集热部的另一端部连接，换热部的另一侧适于与热声发电机连接。
7.根据本发明提供的一种高温换热器，所述集热部的一端部的端面呈内凹弧面，所述内凹弧面的开口适于朝向所述太阳能聚光器；多个所述槽孔分布于所述内凹弧面；所述换热部与所述集热部背离所述内凹弧面的端部接触。
8.根据本发明提供的一种高温换热器，每个所述槽孔的槽底到所述换热部的端部的直线距离相等。
9.根据本发明提供的一种高温换热器，多个所述槽孔沿所述内凹弧面的延伸方向均匀排布。
10.根据本发明提供的一种高温换热器，所述集热部设置有容纳腔，所述换热部设置于所述容纳腔，所述换热部的端部与所述容纳腔的内顶面接触。
11.根据本发明提供的一种高温换热器，所述换热部与所述集热部均为金属材质。
12.根据本发明提供的一种高温换热器，所述换热部为铜制换热器，所述集热部为钢制换热器。
13.根据本发明提供的一种高温换热器，所述换热部和/或所述集热部的外表面设有吸热涂层。
14.根据本发明提供的一种高温换热器，所述换热部包括多个氦气流道，多个所述氦气流道的一端与所述集热部接触，多个所述氦气流道的另一端适于与所述热声发电机接
触。
15.本发明还提供一种热声发电系统，包括：热声发电机、太阳能聚光器与上述任一项所述的高温换热器；所述高温换热器适于设置于所述太阳能聚光器的焦点处，所述热声发电机与所述高温换热器连接。
16.本发明提供的高温换热器与热声发电系统，通过在集热部的一端部设置有多个槽孔，通过调整集热部的放置位置和朝向，可以使集热部设置于太阳能聚光器的焦点处，多个槽孔的设计可以减少太阳光线的向外反射，从而实现对太阳光线的捕捉提高光热转换效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是本发明提供的热声发电系统的结构示意图；
19.图2是图1中a处的局部放大图；
20.图3是本发明提供的高温换热器的结构示意图之一；
21.图4是本发明提供的高温换热器的结构示意图之二。
22.附图标记：
23.100：高温换热器；110：集热部；111：槽孔；112：内凹弧面；113：容纳腔；120：换热部；121：氦气流道；
24.210：热声发电机；220：太阳能聚光器。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.热声发电机是由热声发动机和直线电机组成的以氦气等惰性气体为工质的新型热电转换装置。热声发电机的外燃式特点使其可适应不同形式的热源，例如燃料燃烧、工业余热废热、核废热、太阳能聚光等。其中太阳能因其具有安全可靠、清洁绿色以及可再生等特点，成为热声发电机众多热源中的理想能源之一。
27.高温换热器作为太阳能热声发电系统中进行光线的捕捉、热能的吸收与传导乃至存储的关键部件，其结构对太阳能光热发电系统的发电效率和能量利用效率影响显著。
28.现有太阳能热声(广义上还包括斯特林结构)发电机高温换热器按照传热方式的不同可分为直接照射型、回流型以及蓄热型三种。
29.其中，管束式直接照射型高温换热器因其结构简单、加工容易以及成本低廉等优势被广泛应用，成为目前较为成熟的太阳能热声发电机吸热器方案。
30.相关技术的直接照射型高温换热器光热转换效率较低，增大吸热面积和直接辐射
面积会造成对流与辐射热损失增强，同时发动机死体积的相应增加会影响发动机功率。
31.且通常会在高温换热器外部包覆较厚的保温材料以减少导热损失，保温层的体积庞大、结构复杂会导致整个高温换热器与热声发电机结构紧凑的优势相悖。
32.此外，由于被聚焦器聚焦形成的太阳光斑存在热量不均匀性以及聚光器的加工精度等问题，会导致高温换热器表面能流密度分布不均，甚至在小范围内产生“热点”造成循环工质泄露对系统产生破坏。
33.上述缺点导致现有的太阳能热声发电机的高温换热器体积庞大、能流密度分布不均、光热损失大。
34.针对当前不足，本发明提出了一种高温换热器100与热声发电系统。
35.下面结合图1至图4描述本发明的高温换热器100与热声发电系统。
36.如图2至图4所示，本发明的高温换热器100包括集热部110与换热部120。
37.集热部110的一端部分布有多个槽孔111，槽孔111的开口端适于朝向太阳能聚光器220；换热部120的一侧与集热部110的另一端部连接，换热部120的另一侧适于与热声发电机210连接。
38.相关技术中，太阳能热声发电机210的高温换热器100的端部通常呈平面，太阳光照射在高温换热器100的端部，部分被吸收，部分被反射，太阳光的吸收率低。
39.本发明提供的高温换热器100，通过在集热部110的一端部设置有多个槽孔111，通过调整集热部110的放置位置和朝向，可以使集热部110设置于太阳能聚光器220的焦点处，多个槽孔111的设计可以减少太阳光线的向外反射，从而实现对太阳光线的捕捉提高光热转换效率。
40.其中，太阳能聚光器220用于将太阳光反射并聚焦到焦平面上，形成类似椭圆的高能流密度的太阳焦斑。
41.其中，热声发电机210用于将高温换热器100吸收的太阳能进行转换发电。
42.其中，槽孔111的深度、孔径及多个槽孔111在集热部110的端部的分布数量可以根据具体使用场景进行设置，多个槽孔111的孔径可以相同也可以不同。
43.在一些实施例中，如图3所示，多个槽孔111的中轴线平行，且在集热部110的端部呈点阵式分布，以增加槽孔111的数量，进一步增加太阳能的捕捉效率。
44.进一步的，集热部110的一端部的端面呈内凹弧面112，内凹弧面112的开口适于朝向太阳能聚光器220；多个槽孔111分布于内凹弧面112；换热部120与集热部110背离内凹弧面112的端部接触。
45.其中，多个槽孔111用以捕捉太阳能。
46.其中，通过调整集热部110的放置位置，可以使集热部110设置于太阳能聚光器220的焦点处，且集热部110的内凹弧面112朝向太阳能聚光器220，以使集热部110的内凹弧面112与太阳焦斑重合，从而通过多个槽孔111高效率地捕捉太阳能。
47.其中，从内凹弧面112的中轴线到内凹弧面112的边缘，内凹弧面112与换热部120的端部的直线距离依次增大。
48.在本实施例中，内凹弧面112的结构热容大能抵抗换热部120内温度波动，使得吸热过程热性能稳定，且较短的传热半径减少了传热过程中的热损失。
49.其中，换热部120与集热部110背离内凹弧面112的端部接触连接，以进行换热部
120与集热部110之间的接触换热。
50.其中，换热部120另一侧适于与热声发电机210接触连接，以进行换热部120与热声发电机210之间的接触换热。
51.其中，内凹弧面112可以为球面的部分，具体尺寸和内凹深度可以根据具体应用场景进行选择。
52.本发明提供的高温换热器100，一方面通过将集热部110背离换热部120的端面设置为内凹弧面112，相对于平面而言，增加了集太阳光的面积，进一步提高太阳光的吸收效率。
53.可以理解的是，高能流密度的太阳光线照射在内凹弧面112时，一部分直接辐射到内凹弧面112的外表面，通过直接辐射换热的方式加热换热部120的外表面，热能经热传导至高温换热器100内表面被高温高压的循环工质吸收。另一部分太阳光线在槽孔111结构内经多次反射后热传导至高温换热器100的内表面与工质对流换热，槽孔111结构减少了光线向外反射，提高了太阳能吸收效率，降低了光热损失。
54.进一步的，如图2所示，每个槽孔111的槽底到换热部120的端部的直线距离相等。
55.需要说明的是，由于每个槽孔111的槽底到换热部120的端部的直线距离相等，则位于靠近内凹弧面112中心的槽孔111的深度小于位于靠近内凹弧面112边缘的槽孔111的深度。
56.可以理解的是，槽孔111的深度与太阳光线的吸收率呈反比，槽孔111的深度越大，光线向外反射的越少，太阳光线的吸收率大；槽孔111的深度越小，光线向外反射的越多，太阳光线的吸收率小。
57.即位于靠近内凹弧面112中心的槽孔111的太阳光集中，但槽孔111的深度小，靠近内凹弧面112边缘的槽孔111的太阳光分散，槽孔111的的深度大，以此，可实现内凹弧面112上多个槽孔111吸收太阳光量一致，实现高能流密度在集热部110的另一端部均匀分布，进而实现换热部120内部温度的均匀性。
58.进一步的，多个槽孔111沿内凹弧面112的延伸方向均匀排布，多个槽孔111呈点阵式分布，以保证内凹弧面112的正面对太阳能的捕捉。
59.在本实施例中，可以通过点阵式槽孔111腔体结构减少光线向外反射增强对光线的捕捉提高光热转换效率，同时提高高温换热器100热流密度的均匀性。
60.在一些实施例中，槽孔111为圆孔，实现光线均匀折射。
61.在一些实施例中，集热部110设置有容纳腔113，换热部120设置于容纳腔113，换热部120的端部与容纳腔113的内顶面接触，以增加高温换热器100的集成化。
62.其中，换热部120的端部、容纳腔113的内顶面均为平面，每个槽孔111的槽底到容纳腔113的内顶面的直线距离相等，从而实现换热部120的端部热流密度的均匀性。
63.在一些实施例中，换热部120背离集热部110的一端部设置有避让腔，避让腔的内壁与热声发电机210的凸出部适配，通过面面接触实现换热部120与热声发电机210的接触换热。
64.在一些实施例中，换热部120与集热部110均为金属材质，例如铜、铁、不锈钢等，基于金属材质的高导热性能，进一步提高高温换热器100的光热转换效率。
65.在一些实施例中，换热部120为铜制换热器，集热部110为钢制换热器。
66.其中，换热部120为紫铜材质，紫铜较好的导热性能利于提高高温换热器100的光热转换效率。
67.在一些实施例中，换热部120与集热部110为同一材质，例如换热部120与集热部110为全不锈钢制作，可应用3d打印技术降低加工难度和成本。
68.在一些实施例中，换热部120和/或集热部110的外表面设有吸热涂层，以降低辐射热损失，强化高温换热器100内部传热过程，提高热转化效率。
69.其中，热涂层至少包括以下两种设置方式。
70.其一、集热部110与换热部120为分体装配式结构，换热部120的外表面设置有热涂层。
71.其二、集热部110与换热部120为一体式结构，即高温换热器100通过3d打印技术制作，高温换热器100的外表面设置有热涂层，即集热部110与换热部120暴露于外侧的外表面设置有热涂层。
72.进一步的，换热部120包括多个氦气流道121，多个氦气流道121的一端与集热部110接触，多个氦气流道121的另一端适于与热声发电机210接触。
73.其中，多个氦气流道121为一体式结构，多个氦气流道121平行设置，以增加氦气流道121的分布数目，增大了工质吸热面积，确保了结构的紧凑性。
74.其中，氦气流道121可通过3d打印技术降低加工难度与成本。
75.在一些实施例中，多个氦气流道121沿换热部120的轴向延伸，增强了高温换热器100承压能力。
76.本发明提供的高温换热器100在工作时，太阳光线入射到形如抛物式旋转面的太阳能聚光器220上，经镜面反射的太阳光聚焦到抛物面的焦平面上并形成类似椭圆的高能流密度的太阳焦斑。
77.通过调整高温换热器100的位置使集热部110的内凹弧面112与焦斑重合。高能流密度的太阳光线一部分直接辐射到内凹弧面112的外表面上，通过直接辐射换热的方式加热换热部120的端部外表面，热能经热传导至换热部120的内表面被高温高压的循环工质吸收。另一部分太阳光线在内凹弧面112的外表面上的点阵式槽孔111腔体结构内，经多次反射后热传导至换热部120的内表面与工质对流换热，点阵式槽孔111腔体结构减少了光线向外反射，提高了太阳能吸收效率降低了光热损失。
78.其中，被太阳能转换的热能与工质的热交换并非发生在能流密度最强的换热部120的外表面，而是经过较短传热半径导热至换热部120的内表面分布均匀地被吸收。
79.热声发电机210的循环工质吸收来自太阳光的能量后形成高温高压的气体推动活塞做功，产生的声功一部分传递给主活塞后经直线电机输出为电能，另一部分回到发动机侧完成下一个热声循环。
80.本发明提供的高温换热器100，通过将集热部110的一端部的端面设置为内凹弧面112，且内凹弧面112分布有多个槽孔111，可有效捕捉太阳能，具有光热损失小、壁面热流分布均匀稳定、结构简单、承压能力强等一系列优点，既能提升能源转换效率又能降低加工难度和制造成本。
81.如图1所示，本发明还提供一种热声发电系统，包括热声发电机210、太阳能聚光器220与上述任一项的高温换热器100。
82.其中，热声发电机210与高温换热器100接触连接，高温换热器100放置于太阳能聚光器220的焦点处。
83.本发明提供的热声发电系统，通过将集热部110的一端部的端面设置为内凹弧面112，且内凹弧面112分布有多个槽孔111，可有效捕捉太阳能，具有光热损失小、壁面热流分布均匀稳定、结构简单、承压能力强等一系列优点，既能提升能源转换效率又能降低加工难度和制造成本。
84.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种高温换热器，其特征在于，包括：集热部，一端部分布有多个槽孔，所述槽孔的开口端适于朝向太阳能聚光器；换热部，一侧与所述集热部的另一端部连接，另一侧适于与热声发电机连接。2.根据权利要求1所述的高温换热器，其特征在于，所述集热部的一端部的端面呈内凹弧面，所述内凹弧面的开口适于朝向所述太阳能聚光器；多个所述槽孔分布于所述内凹弧面；所述换热部与所述集热部背离所述内凹弧面的端部接触。3.根据权利要求2所述的高温换热器，其特征在于，每个所述槽孔的槽底到所述换热部的端部的直线距离相等。4.根据权利要求2所述的高温换热器，其特征在于，多个所述槽孔沿所述内凹弧面的延伸方向均匀排布。5.根据权利要求1所述的高温换热器，其特征在于，所述集热部设置有容纳腔，所述换热部设置于所述容纳腔，所述换热部的端部与所述容纳腔的内顶面接触。6.根据权利要求1至5任一项所述的高温换热器，其特征在于，所述换热部与所述集热部均为金属材质。7.根据权利要求6所述的高温换热器，其特征在于，所述换热部为铜制换热器，所述集热部为钢制换热器。8.根据权利要求1至5任一项所述的高温换热器，其特征在于，所述换热部和/或所述集热部的外表面设有吸热涂层。9.根据权利要求1至5任一项所述的高温换热器，其特征在于，所述换热部包括多个氦气流道，多个所述氦气流道的一端与所述集热部接触，多个所述氦气流道的另一端适于与所述热声发电机接触。10.一种热声发电系统，其特征在于，包括热声发电机、太阳能聚光器与权利要求1至9任一项所述的高温换热器；所述高温换热器适于设置于所述太阳能聚光器的焦点处，所述热声发电机与所述高温换热器连接。

技术总结
本发明提供一种高温换热器与热声发电系统，所述高温换热器包括：集热部与换热部，集热部的一端部分布有多个槽孔，所述槽孔的开口端适于朝向太阳能聚光器；换热部的一侧与所述集热部的另一端部连接，换热部的另一侧适于与热声发电机连接。本发明通过在集热部的一端部设置有多个槽孔，通过调整集热部的放置位置和朝向，可以使集热部设置于太阳能聚光器的焦点处，多个槽孔的设计可以减少太阳光线的向外反射，从而实现对太阳光线的捕捉提高光热转换效率。率。率。


技术研发人员：余国瑶 靳晴月 马英 孙浩杰 莫梦飞 罗二仓
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/5/30