本发明涉及一种储存太阳能的系统和方法， 另外， 本发明还涉及一种利用 储存的太阳能产生高温气体的系统与方法。 特别是， 本发明涉及以流沙为工作 介质的太阳能储热及高温气体产生系统。 背景技术

要实现太阳能的大规模应用， 两个关键问题是太阳能储能和降低运行成 本。 通过太阳能聚光加热工质， 可产生高温高压气体（如蒸汽或空气）， 推动 涡轮机透平发电或在工业上使用。

太阳能光热系统中的能量以热量的形式储存， 是已知的解决太阳能储能的 最好途径。 然而， 要实现低成本、 长时间、 大规模的热量储存， 其关键是要选 用廉价、 耐高温又易于实现热量交换的储热介质。

目前， 所采用的储热介质很多， 大体上可分为液体和固体两类。 液体有熔 融金属盐、导热油、金属钠等。采用液体作为 储能介质的优点是其流动性很好， 缺点是当容积很大时， 容器侧向要在高温下承受很大的压力， 致使造价很高。 此外， 熔融金属盐有器壁腐蚀的问题、 导热油和金属钠价格昂贵。 并且导热油 易于老化、 金属钠要考虑防止泄露的安全性问题。 所有这些都使得以液体为储 热介质的储热系统成本很高。 固体储热介质有岩石、 土壤、 混凝土等， 其优点 是价格低廉， 但缺点是流动性很差， 致使热量转入和转出困难。

流沙是同时具备固体和液体优点的储能介质。 利用沙的固体性、 流动性、 堆积性、 耐高温、 无腐蚀、 廉价等优点， 以沙作为工质和储能材料可以建成非 常廉价的、 储存能量很大的、 容易实现热量交换的太阳能储热-换热系统。 美 国专利 No. 4,338,919提出了用颗粒物质（包括流沙）来接收 太阳能的筒单的装 置， 其中包括收集器、 存储器、 换热器、 和运输回路， 然而， 其存在如下问题：

( 1 ) 收集器没有考虑太阳能聚光的情形， 其结果是暴露面积大而导致对 流和辐射损失大， 这样加热的颗粒物质其最高温度不可能太高， 因而无法直接 应用到高温光热系统， 从而也不能用来有效地发电或作为工业动力。

( 2 ) 流沙表面通常是浅颜色的， 直接用来吸收太阳光时， 对太阳光反射 率高， 以至于因反射损失的能量大， 效率低。

( 3 )仅给出筒单的圆筒状储热罐， 当容积增大时， 器壁周向承受的压强 艮大， 解决的办法只能是增加器壁厚度。 由此导致及热应力增大、 成本增加， 以至无法低成本地制造出大的储热罐。 对通常的流体， 容器侧壁内的切向压强 正比例于容器的直径与厚度的比值。 这样， 当高度不变而直径增加时， 为保持 容器的承受力， 势必要增加容器的厚度。 从而使得单位面积的造价增加。 此外 当容器的高度增加时， 容器底部下方承受到流体的径向的压强增加， 使得单位 面积的造价进一步增加。 因此， 对于通常流体， 当容器体积增加时， 单位体积 的造价不但没减少， 反而要增加。 这就是对通常的气体或液体的流体， 一方面 容器不可能做大， 另一方面做大以后， 单位容积的成本反而更大。 对于储存流 沙等粉体物质的容器， 如果器壁的内部沿轴向是平直的圆筒体， 结论也是类似 的。

( 4 )所提出的换热器为流化床颗粒物质和管道内� �体交换热量， 因管道 和空气直接接触， 其换热效率低下。 因以上这些原因， 依照美国专利 No. 4,338,919提出的方法和设备无法制成有效的产生 高温高压气体以推动涡轮机 的系统。

利用太阳能产生高温工质通常要借助于太阳艮 踪聚光系统。 目前的槽式、 塔式、 及碟式太阳能聚光镜造价都很昂贵。 槽式聚光系统采用单轴跟踪， 支撑 和跟踪驱动系统价 氏， 但所用到的真空玻璃吸热管造价很贵； 塔式和碟式太 阳聚光镜采用双轴跟踪， 支撑和跟踪驱动部分很昂贵。 基于这些原理的太阳能 聚光镜造价很高， 限制了太阳能聚光镜的广泛使用。 因此， 需要建造新式的太 阳能聚光镜， 以低成本地实现太阳能的跟踪聚光。

要将流沙的热量传递给气体以产生高温高压气 体依赖于换热设备来实现。 目前已有的换热设备是在气体和气体、 气体和液体， 及液体和液体之间交换热 量， 无法直接用来实现流沙和气体及流沙和液体之 间的换热。 发明内容

本发明的目的是提供一种以流沙为工作介质的 太阳能储热及高温气体产 生系统， 其储热效果好、 储热量大、 换热效率高、 运行成本低。

为此， 根据本发明的第一方面， 提供了一种太阳能储热及高温气体产生系 统， 其特征在于： 该系统包括太阳跟踪聚光装置、 储热罐、 以及换热装置， 其 工质采用流沙； 换热装置在工质流沙和气体或液体之间实施换 热； 通过太阳镜 聚光装置加热工质流沙， 加热后的工质流沙被输送到储热罐， 工质流沙的热量 存储于储热罐； 工质流沙从储热罐稳定地输出， 将热量通过换热装置传递给待 加热的高压气体或液体， 以产生高温高压气体。

根据本发明的第二方面， 提供了一种太阳能储热及高温气体产生系统， 用 于高温高压空气产生系统， 其特征在于： 该系统包括太阳跟踪聚光装置、 储热 罐、 以及换热装置， 其工质采用流沙； 通过太阳镜聚光装置直接或间接加热工 质流沙到 800°C - 1500°C， 加热后的工质流沙被输送到储热罐， 以存储热量; 常温空气经空气压缩机的一级和二级压缩、 换热， 实现压力空气压力的持续升 高； 然后， 压缩空气经空气压缩机三 ^口压， 输出到换热装置和由储热罐输出 的高温工质流沙换热， 将压力空气加热到 700°C - 1400°C， 此高温高压空气被 引向涡沦机透平， 以产生动力， 透平后的热空气由换热室将其空气剩余热量传 递给工质流沙， 工质流沙通过输送系统输送给另一个小型储热 罐， 再送回聚光 太阳聚光装置循环加热。

根据本发明的第三方面， 提供了一种太阳能储热及高温气体产生系统， 用 于高温高压蒸汽产生系统， 其特征在于： 该系统包括太阳跟踪聚光装置、 储热 罐、 以及过热器， 其工质采用流沙； 通过太阳镜聚光装置直接或间接加热工质 流沙到 400°C - 650°C， 加热后的工质流沙被输送到储热罐， 以存储热量， 汽轮 机工质水经水处理器处理， 经沙-水换热器将水预热到 90°C、 通入压力水泵加 压至 3-5MPa、 和经蒸汽发生器输出的流沙换热， 过热器输出流沙的余温通过 蒸汽发生器换热， 将水转化成饱和蒸汽， 饱和蒸汽在汽包中做汽水分离， 水被 返回到蒸汽发生器之前， 而饱和蒸汽则在后一级由过热器和储热罐输出 的高温 流沙进一步加热， 产生 350-550°C、 2-10MPa的过饱和蒸汽， 然后， 过饱和蒸 汽进入汽轮机涡轮机透平， 输出的水蒸气经由凝汽器冷凝成水， 以进入水处理 器循环使用。

根据本发明的第四方面， 提供了一种储热罐， 其特征在于： 储热罐的侧墙 壁从内到外由耐火层、 隔热层及外墙密封层组成； 耐火层由特型砖砌成， 每块 特型砖面向储热罐内侧突出部分的表面其上部 呈水平面， 下部呈斜面或介于该 水平面和该斜面之间的曲面， 该斜面与水平面的夹角小于沙的安息角， 使得流 沙在储热罐内自然下落堆积时， 呈锥形堆积在特型砖突出部分上部水平面上， 特型砖下部除最突出的一条线和流沙有接触外 ， 其余部分与流沙保持分离。

根据本发明的第五面， 提供了一种将直接接收太阳光的流沙表面通过 碳化 处理实现表面增黑改性的方法，其特征在于： 将沙和含炭丰富的物质混合均匀， 在隔绝空气的条件下加热到 600 以上。

根据本发明的第六方面， 提供了一种换热装置， 其特征在于： 采用旋风换 热器， 该旋风换热器呈环形结构， 该环形结构的外边缘设有均匀孔道， 倾角为 10°-20°的等长、 同倾角的管道沿圆周均布地插入各孔道中， 这些管道的另一端 旋转汇集到管板上， 经管箱连接到气体的入口； 高速气体通过该入口进入到旋 风换热器的环形结构， 进行旋进运动， 经内设的引风板从中间向上流出； 在旋 风换热器的上部的中间位置上轴对称地开设若 干个孔道， 流沙经这些孔道流 入； 在旋风换热器内， 气体沿径向由外向内旋进， 流沙在离心力的作用下由内 向外旋出， 气体和流沙沿径向成逆流运动， 由此实现气体和流沙的逆流换热； 在底部的中心位置设立收集嘴， 以将流沙收集输出。

根据本发明的第七方面， 提供了一种换热装置， 其特征在于： 采用旋风换 热器， 该旋风换热器的入口部分由蜗壳形空气入口构 成， 空气进入旋风换热器 后， 作高速旋转， 由位于中心部位的朝上的出口流出； 高温流沙从环形均布的 入口管道 ^旋风换热器内， 一方面随空气作旋转运动， 另一方面在离心力的 作用下， 沿径向向外运动， 经位于中心部分的下方的出口流出， 气体和流沙沿 径向成逆流运动， 由此实现气体和流沙的逆流换热。

根据本发明的第八方面， 提供了一种换热装置， 其特征在于： 采用旋风换 热器， 该旋风换热器由旋风管构成， 高速气体通过入口由引风板进入到旋风管 内， 作螺旋运动， 同时也沿轴向向下和沿径向向内运动， 经出口流出； 旋风管 中央的上部设置下端为喇叭口的圆形管道， 喇叭口的下端设有圆锥体， 其间^" 圆锥筒缝隙， 流沙通过管口经管道流入圆锥筒缝隙 ^旋风换热器的主体内， 后随气体作旋转运动， 同时流沙在离心力的作用下由内向外旋出， 向下运动， 经底部环形出口流出， 气体和流沙沿径向成逆流运动， 由此实现气体和流沙的 逆流换热。 根据本发明的第九方面， 提供了一种太阳跟踪聚光装置， 其特征在于： 包 括聚光镜、 三角支架、 带齿轮的回转支承、 控制水平方向转动的减速器及控制 部分、 和控制前后方向转动的减速器及控制部分， 回转支承水平放置在固定的 三角支架上； 在回转支承的转动盘上方设置两个同轴的滚珠 轴承， 随回转支承 在水平方向的转动而转动； 回转支承的转轴和滚珠轴承的转轴相互垂直并 交于 一不动点； 聚光镜对称地固定在两滚珠轴承的转轴上， 聚光镜距离两滚珠轴承 的高度， 使聚光镜的重心与所述不动点重叠。

根据本发明的第十方面， 提供了一种换热室， 其特征在于： 采用沉降室换 热器， 该沉降室换热器的下部为筒结构， 上部为锥结构， 筒的内部铺设有轻质 绝热耐火材料，外部由金属焊接或由砖砌成， 底部由底层、轻质绝热材料铺设， 筒结构接近底部的位置设有由一层有均勾透气 孔的耐高温材料层， 该耐高温材 料层以 3。-15。倾斜， 其出口呈圆筒形状； 气体由耐高温材料层较高的一端通向 沉降室的外部入口； 上部锥顶盖的锥角大于流沙的安息角； 锥顶部中央有一筒 体容器， 为流沙的入口， 锥结构的底部为横杆和竖杆搭成的网格， 每个格点上 放置一漏斗形容器， 通过管道连接到顶部筒体容器； 这些管道一方面使流沙从 顶部筒体容器流入各个漏斗状容器， 另一方面和金属或非金属网格一起对锥结 构起到支撑作用； 流沙从各个漏斗状容器均匀向下流出， 空气均匀向上流动； 流沙和空气在均匀的逆向流动中实现热量交换 。

根据本发明， 高温工质从储热罐稳定地输出， 将热量通过换热传递给待加 热的高压流体， 产生高温高压气体。 工质热循环系统包括流沙热工质循环和流 体热工质循环。 其中， 流沙热工质循环是一个闭路循环， 流体工质循环可为开 路， 也可为闭路。 两个循环经过换热器发生热量交换。 由于本发明可实现全天 候地、 连续地、 稳定地产生高温高压气体， 推动涡轮机透平发电， 可在恒定温 度下运行， 使得系统的利用效率和使用寿命大大提高。 根据本发明， 流沙本身 可以被太阳能加热到很高的温度（例如 1500 ）； 储热罐的耐火砖可以承受很 高的温度（例如 2000 以上）， 因此， 储热效果好。

根据本发明的所述储热罐， 直径和高度均可≥50米， 容积可≥10 ⁵ 立方米， 储能可达到（ 1-2 ) xl0 ¹⁴ J, 能为 30兆瓦以上的涡轮发动机提供≥10天的能量储 存。 该储热罐允许对经过太阳光聚光加热后的高温 工质（流沙） 间歇性地输入 和连续稳定地输出。 根据本发明， 流沙被放置在储热罐中时， 与容器侧面的主 体不直接接触， 从而， 对墙壁的侧向压力小到可忽略不计， 因此， 储热罐可以 具有更大的容积， 所以储热量大。

根据本发明， 常温空气被吸入，经由多级压气机串联加压， 除最后一级外， 在前面的每一级加压后 , 由本发明提出的旋风换热器将热量传给用来冷 却空气 的流沙， 给加压后的空气降温， 使得整个加压过程近似为等温过程， 由此降低 空气加压过程中的机械能损耗， 以提高系统效率。 经最后一级加压后的空气被 送到本发明提供的旋风换热器， 和储热罐输出的高温工质流沙实现热量交换， 使压力气体变成为高温高压气体。 此高温高压气体被送至涡沦机透平。 透平后 的热空气由本发明提供的沉降换热室将其热量 传递给工质流沙。 工质流沙通过 输送系统输送给另一个小型储热罐， 待送到聚光太阳镜循环加热。 通过用来冷 却空气的流沙降低压气机输出空气温度和用工 质流沙吸收涡沦机排气余热， 使 得系统的效率与采用筒单循环的燃气轮机相比 大大提高。 根据本发明， 流沙与 热的气体直接、 逆向换热， 因此， 换热效率高。

通常的气体换热器是换热物质被管板分割开。 其换热系数和换热面积小， 致使换热效率低和换热器体积庞大。 为克服气体换热系数小， 换热效率低的问 题， 根据本发明， 空气和流沙经过混合、 逆向流动、 最后利用旋转的离心力或 惯性重力分离。 通过这样的过程， 实现空气和流沙的直接逆向换热。 直接换热 时单位体积的换热面积和换热系数均提高一个 量级以上， 使得换热效率大大提 高， 换热器结构更紧凑和造价更低。

根据本发明， 当储热罐容器的尺寸增加时， 单位面积的造价不随之增加， 由此可制成容积量很大， 成本很低的储存容器， 因此， 运行成本最小。

根据本发明的旋风换热器， 气体和流沙之间直接换热， 以紧凑的形式一次 实现流沙和空气的混合、 换热、 和分离。 这样可以大大提高换热面积， 减少换 热器体积， 大大提高换热效率和降低成本。 气体和流沙在角向是同向运动， 沿 径向成逆流形式运动， 因角向速度远大于径向速度， 气体和流沙通过径向的逆 向运动， 实现逆流换热。

根据本发明的流沙蒸汽发生器， 水及水蒸气和流沙被金属管隔开， 水及水 蒸气在金属管内上流， 金属管外的高温流沙在重力作用下向下流。 流沙和水在 逆流中实现热量交换，加热管道中的水产生饱 和水蒸气。在沙体流过的区域内， 可垂直向下放置一些扭带等插入物， 以使沙粒在向下流动的过程中， 增加沙粒 的不同温度层间的混合， 以提高换热效率。

根据本发明， 利用流沙来冷却凝汽器输出的热水， 使凝汽器的冷却水可循 环使用。 采用流沙冷却， 可用来在保持高效率的前提下， 大量节约用水。 这对 于太阳充足但缺少水源的地方， 利用汽轮机发电有重要意义。 而空气冷却效率 低， 耗能大。

为筒化太阳跟踪的方法， 降低太阳镜的支撑和跟踪成本， 本发明还提供了 一种聚光太阳镜供碟式或塔式太阳跟踪聚光系 统。 根据通常的槽式太阳光聚光 系统， 其聚光加热管要求真空玻璃管和金属封装， 技术难度大、 成本高。 根据 本发明， 槽式太阳光聚光系统的加热管的管道由耐高温 的金属或非金属构成， 流沙在转动的过程中， 不断地得到很好的混合， 很大地增加了传热效果。 管道 内的流沙在大气压力下加压， 可以实现低成本制造。 附图说明

图 1是太阳能聚光产生高温高压气体的流程图。

图 2是太阳能聚光产生高温高压空气的原理图。

图 3是太阳能聚光产生高温高压蒸汽的原理图。

图 4是流沙储热罐的外形图， 包括侧墙耐火层的耐火砖的局部放大图。 图 5a至图 5c是一种旋风换热器的结构示意图。 图 5d是另外一种旋风换热器的结构示意图。

图 5e和图 5f是另外一种旋风换热器的结构示意图。

图 6a和图 6b是一种沙-水换热器 /蒸汽发生器的结构示意图。

图 7a至图 7c是另外一种流沙过热器的结构示意图。

图 8a和 8b分别是蒸汽换热器的顶部侧面、 剖面图。

图 9a和图 9b是碟式太阳聚光镜或塔式太阳镜的结构原理� ��。

图 9c是一种碟式太阳聚光镜或塔式太阳镜前后转� ��的结构原理图。

图 9d是另外一种碟式太阳聚光镜或塔式太阳镜前� ��转动的结构原理图。 图 10是槽式太阳聚光镜的加热管的结构原理图。 具体实施方式

本发明利用沙的固体性、 流动性、 耐高温、 无腐蚀、 廉价、 尤其是沙的可 堆积性， 以沙作为储能材料建成储存容量很大的、 能够长期储存太阳能的储热 罐。 储热罐允许对经太阳光加热后的高温流沙间歇 性地输入和连续稳定地输 出。 除流沙外， 本发明也同样适合于所有和流沙有类似的固体 性、 流动性、 耐 高温、 无腐蚀、 廉价、 尤其是沙的可堆积性的颗粒物质及它们的混合 体。

根据本发明的一个方面， 如图 1所示， 提供了一种利用太阳能全天候地、 连续地、 稳定地产生高温高压气体的方法和系统， 以推动涡轮机透平 4发电或 工业使用。 该系统包括太阳跟踪聚光装置 1、 储热罐 2、 工质流沙 5和气体或 液体 6之间的换热装置 3、 和工质流沙 5。 通过太阳镜聚光装置 1直接或间接 加热工质流沙 5到高温， 将加热后的工质流沙 5输送到储热罐 2， 将能量以热 量的形式存储。 高温工质流沙 5从储热罐 2稳定地输出， 将热量通过换热装置 3传递给待加热的高压气体或液体 6， 以产生高温高压气体。 常压气体或液体 6 经增压设备 7加压后压力升高。

根据本发明的另一个方面，如图 2所示，提供了一种利用太阳能全天候地、 连续地、 稳定地产生高温高压空气的方法和系统， 以推动涡轮机透平 4发电或 工业使用。通过太阳镜聚光装置 1直接或间接加热工质流沙 5到 800°C - 1500°C 的高温， 将加热后的工质流沙 5输送到储热罐 2， 将能量以热量的形式存储。 常温空气经空气压缩机 7—级加压后温度升高， 利用本发明提出的旋风换热器 8 实现冷却空气用流沙（不同于工质流沙 5， 图中未示出）和压力空气之间在 一级旋风换热器 8的换热， 将空气冷却。 空气经空气压缩机 7二级加压后， 利 用二级旋风换热器 8实现和另一部分冷却空气用流沙和压力空气� �间的再次换 热， 将空气再次冷却。 后经空气压缩机 7三级加压， 输出到旋风换热器 8和由 储热罐 2输出的高温工质流沙 5换热， 将压缩空气转换成高温高压空气， 将压 力空气加热到 700°C - 1400°C， 此高温高压空气被引向涡沦机透平 4， 以产生 动力。 透平后的热空气由本发明提供的沉降换热室 9将其空气剩余热量传递给 工质流沙 5。 工质流沙 5通过输送系统输送给另一个小型储热罐 10， 再送到太 阳聚光装置 1循环加热。 通过用冷却空气用流沙降低空气压缩机 7输出空气的 温度和用工质流沙 5吸收涡沦机的排气余热， 使得系统的效率与采用筒单循环 的燃气轮机相比大为提高。

根据本发明的另一个方面， 如图 3所示， 提供了一种利用太阳能全天候地 稳定地产生高温高压蒸汽的方法和系统， 推动涡轮机透平 4发电或工业使用。 通过太阳镜聚光装置 1直接或间接加热工质流沙 5到 400°C - 650°C的高温，将 加热后的工质流沙 5输送到储热罐 2， 将能量以热量的形式存储。 汽轮机工质 水 11经水处理器 12处理， 经沙-水换热器 13将水预热到 90°C、 通入压力水泵 15加压至 2-10MPa、和经蒸汽发生器 14输出的流沙换热，过热器 16输出流沙 的余温通过蒸汽发生器 14换热将水加温转化成饱和蒸汽， 将饱和蒸汽在汽包 17中做汽水分离， 水被返回到前级， （蒸汽发生器 14之前）， 而饱和蒸汽则在 后一级由过热器 16 和储热罐 2 输出的高温流沙 5 进一步加热， 产生高温 ( 350-600°C )、 2-10MPa的过饱和蒸汽。 后进入汽轮机涡轮机 18透平， 输出 的水蒸气经由凝汽器 19冷凝成水。 冷凝水再进入水处理器 12循环使用。

为进一步提高效率， 可在涡轮机透平 18的中间级蒸汽输出口连接蒸汽再 热器对蒸汽再加热， 后进入下一级透平。 所述再热器结构和本发明提出的过热 器 16相同。

另外， 本发明提供了一种储热罐 2， 如图 4所示， 其外形主体为筒体结构 或其他适当的结构（优选为圆筒）。 储热罐 2的侧墙壁从内到外由耐火层 22、 隔热层 20及外墙密封层 21组成。 耐火层 22由侧面为直角梯形的特型砖 23砌 成， 水平面朝上、 斜面朝下。 斜面和水平面的夹角以小于沙的安息角， 如可选 为 30度。 流沙 5在重力作用下， 在储热罐 2内自然下落堆积时， 在靠近储热 罐 1的侧墙壁处， 按层堆积在特型砖 23突出部分上部水平面上以安息角为锥 角的锥形内， 特型砖 23下部除最突出的一条线和流沙 5有直接接触外， 其余 部分与流沙 5保持分离。 特型砖 23的斜面也可由其它形状代替， 只要在安息 角所限制的斜面以内即可满足要求。 特型砖 23由耐火砖构成。 隔热层 20由轻 质、 耐高温、 绝热性能好的材料（如纳米二氧化硅超级绝热 材料）构成。 外墙 密封层 21可由钢筋混凝土浇筑而成。 储热罐 1的耐火层 22设有周向的膨胀缝 (未示出）。 每隔若干层有长型砖搭在耐火层 22和密封层 21上， 以保证结构 的稳定性、 牢固性。 储热罐 2的底部从上到下铺设耐火砖、 绝热层、 和钢筋混 凝土地基。 储热罐 2的顶部 24为由轻型桁架钢结构构成的锥体 25， 中间顶部 为平台， 该平台设置的输入口 26连接到气力输入设备 27流沙的输出口 28， 气 力输入设备 27的管道内铺设轻质绝热垫， 外设防水保护及密封材料。 工质流 沙 5沿箭头 D所示的方向由上至下流动， 在以大于摩擦角的倾角 （优选为 45 度角） 向外的流出孔道 29处流出至水平的环形通道内， 并且通过环形通道内 的空气槽或输送带（未示出）经由一水平底部 输出口 （未示出）被输送至其它 传送设备上。

对于塔式聚光系统， 可以省略上述气力输入设备 27， 而直接向储热罐 2的 输入口 26内注入流沙 5。

根据本发明， 由太阳能聚光镜 1加热的流沙 5用气力输送设备 27从底部 输送到顶部 24， 经顶部平台的输入口 26输入储热罐 2， 流沙 5在储热罐 1内 整体向下慢速流动， 停留储存若干天之后， 从底部输出口流出， 以符合先进先 出的规则， 这样保证了储热罐 2内流沙 5的温度的均匀性。 在底部的圆周上均 匀地设立了若干以大于摩擦角的倾角向外的流 出孔道 29， 以便流沙 5从孔道 29流出。 在底部圆周的外围设立截面为矩形的环形围墙 32， 从内到外也由耐 火层、 隔热层及外墙密封层组成， 利用空气槽或输送带收集由各孔道流出的流 沙 5， 并且输送到水平底部出口。

为增加流沙对太阳光的吸收， 本发明提供了一种将直接接收太阳光的流沙 表面通过碳化处理实现表面增黑改性的方法， 从而可大幅增加对太阳光的吸 收。 具体工艺是， 将沙和含炭丰富的物质（天然气、 煤气、 沥青、 油、 面粉等） 混合均匀后， 在隔绝空气的条件下加热到 600 以上的高温， 表面可以变为炭 黑结构， 在更高的温度下可变成更稳定的石墨结构及碳 化硅结构。 表面增黑改 性后的沙粒可大大增加对太阳光的吸收， 同时可增加导热率。 流沙的粒径为 0.1-1.0mm。 粒径在这一范围的沙粒对实现流动和换热非常 有利。 具体实施方 法为， 将经聚光太阳能加热到高温的流沙抽真空， 和煤粉按一定比例 （如 100:1-10:1, 优选 30:1 ) 混合搅拌， 放置到表面变黑为止。 这一工艺也可在太 阳能储热罐 2内实施。

图 5a至图 5c所示， 根据本发明， 提供了一种用于实现空气和流沙之间直 接换热的旋风换热器 8， 其以紧凑的形式一次实现流沙和空气的混合、 换热、 和分离。 旋风换热器 8的主体为环形结构 31， 环形的外边缘设有均匀孔道， 倾 角 α为 10°-20°的等长、 同倾角的管道 33沿圆周均布地插入其中， 这些管道 33 的另一端 34旋转汇集到管板 35上， 经管箱连接到气体的入口。 高速气体通过 入口进入到旋风换热器 8的环形主体结构 31， 沿箭头 R进行旋进运动， 经内 设的引风板从中间向上流出。 在旋风换热器 8的上部的中间位置上轴对称地开 设 4个或 8个孔道 36， 流沙 5通过管道经这些孔道 36流入。 在旋风换热器 8 内， 气体沿径向由外向内旋进， 流沙 5在离心力的作用下由内向外旋出。 气体 和流沙 5沿径向成逆流运动， 由此实现气体和流沙 5的逆流换热。 在底部的中 心位置设立收集嘴 37， 以将流沙 5收集输出。

在图 5d所示的另外一个实施例中， 旋风换热器 8的入口部分由蜗壳形空 气入口 100构成， 用于实现空气和流沙之间直接换热。 优选地， 该入口 100的 横截面呈矩形。 空气进入旋风换热器 8后， 沿箭头 K所示的方向作高速旋转， 由位于中心部位的朝上的出口 101流出。高温流沙 5从环形均布的入口管道 102 进入旋风换热器 8内，一方面随空气作旋转运动，另一方面在� �心力的作用下， 沿径向向外运动， 经位于中心部分的下方的出口 103流出。 气体和流沙 5沿径 向成逆流运动， 由此实现气体和流沙 5的逆流换热。

在图 5e和图 5f所示的另外一个实施例中， 旋风换热器 8由旋风管构成。 高速气体通过入口 104由引风板 105进入到旋风管内，沿箭头 T方向作螺旋运 动， 同时也沿轴向向下和沿径向向内运动， 经出口 107流出。 旋风管中央的上 部设置下端为喇叭口的圆形管道 106， 喇叭口的下端设有圆锥体 109， 其间有 圆锥筒缝隙， 流沙 5通过管口经管道 106流入圆锥筒缝隙 旋风换热器 8的 主体内， 后随气体沿箭头 T方向作旋转运动。 同时流沙 5在离心力的作用下由 内向外旋出， 向下运动， 经底部环形出口 108流出。 气体和流沙 5沿径向成逆 流运动， 由此实现气体和流沙 5的逆流换热。

如图 6a和图 6b所示， 根据本发明， 提供了一种用于实现空气和流沙之间 直接换热的沉降室换热器 9。 沉降室的下部为圆筒或其它筒体结构 40， 上部为 圆锥结构或其它锥体 41， 圆筒的内部铺设有轻质绝热耐火材料， 外部由金属焊 接或由砖砌成。 底部由底层、 轻质绝热材料铺设， 圆筒结构 40接近底部的位 置设置一层有均匀透气孔的耐高温材料层 42, 该耐高温材料层 42以 3。-15。倾 斜， 其出口呈圆筒形状。 气体由耐高温材料层 42较高的一端通向沉降室的外 部入口 43。 上部圆锥顶盖 41的锥角大于流沙 5的安息角。 圆锥顶部中央有一 圆筒体容器 44， 为流沙 5的入口， 圆锥结构 41的底部为横杆 46和竖杆 47搭 成的网格 45， 每个格点上放置一漏斗形容器 48， 通过管道 49连接到顶部圆筒 体容器 44。这些管道 49一方面使流沙 5从顶部圆筒体容器 44流入各个漏斗状 容器 48， 另一方面和金属或非金属网格 45—起对圆锥结构 41起到支撑作用。 流沙 5从各个漏斗状容器 48均匀向下流出， 空气均匀向上流动。 流沙 5和空 气在均匀的逆向流动中实现热量交换。

如图 7所示， 本发明提供了一种沙-水换热器 13 (蒸汽发生器 14 )， 可用来 实现高温流沙和水之间的换热， 以产生热水或饱和水蒸气。 基本结构为， 在横 截面上均匀、 竖向平行地排列钢管 50， 钢管 50的上部管口焊接到管板 51上， 管板 51和汽包 52相连， 钢管 50的下部管口焊接到管板 53上， 管板 53和水 箱 54相连。 所有钢管 50的外围有一圆筒体管道 55， 圆筒体管道 55的上部在 上管板 51的下方接漏斗 56， 蒸汽管道 55从漏斗 56中穿出。 圆筒体管道 55的 下部在下管板 53的上方接一约为 45°斜板 57。在圆筒体管道 55和斜板 57相交 处设有流出口 58。 流沙从上方漏斗 56流入， 在圆筒体管道 55内从钢管 50的 缝隙间流到斜板 57上， 经流出口 58流出。 沙的流量由流出口 58的大小控制。 高温流沙 5在重力的作用下在金属管 50外向下流。 流沙和水在逆流中实现热 量交换， 管道中的水被加热或产生水蒸气。

如图 8a和 8b所示，本发明提供了一种流沙过热器 16， 它可用来实现以高 温流沙 5加热饱和水蒸气， 使之成为过热水蒸气 80。 流沙过热器 16由多排蛇 形钢管 60并列而成， 每一排蛇形管 60可由多根管道构成， 每根管道按一定长 度经多次弯曲而成。每排蛇形管的出口和入口 分别通过管板焊接在入汽管口 62 和出汽管口 63上。 过热器 16的管道 60被包覆在正立方体的容器 68内， 过热 器 16的上部呈倒置的漏斗形状， 下部呈正立的漏斗形状， 高温流沙 5按照箭 头 K所示的方向注入， 下部流沙 5在漏斗形状的出口按照箭头 K所示的方向 流出， 通过出口的大小可控制流沙的流量。

本发明提出的聚光太阳镜系统 1可以是碟式聚光太阳镜系统、塔式太阳能 聚光系统、 或是槽式太阳镜聚光系统。

如图 9a所示， 本发明还提供了一种聚光太阳镜系统， 供碟式或塔式太阳 跟踪聚光系统使用， 其由聚光镜 75、 三角支架 71、 带齿轮的回转支承 72、 控 制水平方向转动的减速器及控制部分 74、和控制前后方向转动的减速器及控制 部分 81组成， 回转支承 72水平放置在固定的三角支架 71上。 在回转支承 72 的转动盘上方设置两个同轴的滚珠轴承 73， 随回转支承 72在水平方向的转动 而转动。 回转支承 72的转轴和滚珠轴承 73的转轴相互垂直并交于一不动点。 聚光镜 75对称地固定在两滚珠轴承 73的转轴上， 设置聚光镜 75距离两滚珠 轴承 73的高度， 使聚光镜 75的重心尽可能和不动点重叠。 这样， 太阳镜荷载 加载到两转轴的每个轴上的力矩近似为零， 因此， 太阳镜 1可承受包括风载在 内的更大的荷载， 有利于实现太阳镜的转动、 控制、 和跟踪， 有利于减低太阳 镜 1的重量及降低太阳镜 1的制造成本。

三角支架 71也可由钢筋混凝土制成的、 竖直放置的空心圆筒管道代替。 聚光镜 75 由多块边界为正方形的相同镜面在桁架钢结构 上拼接而成， 中 间约 1/20-1/8的矩形面积上空置。 聚光镜 75可在水平方向随回转支承 72和在 前后方向随珠轴承 73的转动而转动， 从而使聚光镜 75实现以不动点为中心， 到空间任意方向的转动。 根据地球自转和公转的运动规律计算出太阳光 线在地 球上给定地点、 给定时刻的指向， 分别调节控制水平方向的转动和前后方向的 转动， 以实现对太阳光的跟踪。 聚光镜 75对水平方向的跟踪是通过电机转动 控制减速器 74， 带动回转支承 72上的齿轮而转动。 对前后方向转动的控制则 分别提出以下三种装置实现。

其一如图 9a所示， 让控制前后方向转动的减速器及控制部分 81的输出轴 通过联轴器直接和滚珠轴承 73的转轴相连。 减速器 81的输入轴在控制电机带 动下转动， 带动输出轴， 从而带动滚珠轴承 73的转轴转动， 实现对聚光镜 75 前后转动仰角的控制。

其二如图 9c所示， 将长度小于回转支承 72半径的杆件 76的一端固定在 滚珠轴承 73的转轴上， 另一端和可自锁的丝杠 77的一端（固定端）铰接。 丝 杠 77的另一端（活动端）铰接到回转支承 72的转动盘上， 杆件 76和丝杠 77 构成的平面和滚珠轴承 73的转轴垂直， 它们随回转支承 72水平转动而同步转 动。 用电机调节丝杠 77在回转支承 72的转动盘的接触点的位置， 以调节丝杠 77固定端到活动端的长度， 以改变杆件 76的仰角， 带动滚珠轴承 73的转轴转 动， 从而实现对聚光镜的前后转动仰角的控制。

其三如图 9d所示， 将半径小于回转支承 72内径的齿轮 78安装在滚珠轴 承 73的转轴上。 在单头蜗杆减速器 79的输出转轴上通过联轴器连接小齿轮， 以驱动齿轮 78。蜗杆减速器 79蜗杆分度圆上的导程角小于 3.5° ， 以便使蜗杆 减速器实现自锁。 蜗杆减速器 79的输入轴在控制电机的带动下转动， 带动齿 轮 78，从而带动滚珠轴承 73的转轴转动， 实现对聚光镜 75前后转动仰角的控 制。 为节约原材料， 齿轮 78也可采用 1/4 - 1/2圆周的扇形齿轮代替。

对于碟式聚光太阳镜 1,其聚光镜 75是由小的焦距相同的正方形球面镜通 过桁架钢结构拼接而成同焦距的大的外边界为 矩形球面镜 75，其边长和焦距之 比的一个较好的选择为 8/12。 镜的中间约 1/20-1/8的矩形面积上空置。 当球面 镜实现跟踪时， 太阳光被聚焦到以聚光镜 75焦点为中心的焦斑上。 采用球面 镜的优点在于易于在工业上实现大规模生产， 从而降低制造成本。 太阳光聚光 倍数最高可达 2000倍， 足以满足本发明提出的太阳能高温光热系统对 聚光的 要求。 进一步地， 在聚光镜 75的中轴线上， 在长度约 2/3焦距处设置一固定的 球面反射镜 80， 通过控制聚光镜 75的转动， 可将太阳光反射到回转支承基座 的附近的固定点的焦斑上，这时太阳镜的聚光 倍数仍然可达 800-1000倍，足以 满足本发明提出的太阳能光热系统对聚光的要 求。

如图 9b，接热器 110被放置在球面反射镜 80的焦点上，与水平面成约 45。 角。 接热器 110用碳化硅或其它对可见光低反射的材料制成 ， 接热器 110的底 部外层用轻质绝热材料包覆， 根据球面镜 80聚焦光斑中间光线强度高的特点， 接热器 110的形状做成中间下凹的圆槽状， 顶部由耐高温、 并对可见光透明、 对红外光反射好的材料 (如纳米孔 SiQ ₂ 超绝热材料 )覆盖。 流沙在重力的作用 下， 经接热器 110的透明顶部和碳化硅本体之间的空隙加热流 出。

对于塔式聚光太阳镜 1，其聚光镜 75可由大小相同的正方形平面镜通过桁 架钢结构拼接而成整体为平面镜或其它曲面镜 。 镜的中间约 1/20-1/8的矩形面 积上空置。 采用平面镜有助于降低塔式聚光系统的成本。 利用图 9a、 9c、 9d 给出的太阳光跟踪系统调整太阳光线使多达 10000面的塔式镜对塔式系统放置 在同一塔顶上的接热器聚光。 流沙从底部由气力输送至塔的顶部， 在重力作用 下流经接热器， 向下流出的过程中被聚焦的太阳光加热。 下部经漏斗进入保温 管道， 后直接流入储热罐 2中。

如图 10所示， 本发明提供了一种槽式太阳聚光系统的加热管 。 该加热管 的管道 89由耐高温的材料构成， 管道 89的外层设有一条绝热、 透可见光、 但 对红外光反射好的材料（如轻质纳米二氧化硅 超绝热材料）， 使得太阳光可以 透射进入加热流沙 5的颗粒。 管道 89内设有螺旋槽 90。 管道 89的一端设有漏 斗形入口 91, 流沙 5的颗粒经入口 91进入螺旋槽 90， 管道 89的另一端^"出 口 92， 流沙 5的颗粒经出口 92流出收集到储热罐 2。 太阳光由槽式太阳镜跟 踪后， 被线聚焦到加热管上。 当螺旋槽 90转动时， 流沙 5的颗粒从螺旋槽 90 的入口 91移动滑向出口 92， 在移动的同时， 流沙 5的颗粒 :4艮好地混合， 流 沙 5的颗粒沿管道 89被逐渐加热到高温。 管道 89内的流沙 5在大气压力下加 热， 因此可以低成本地制造管道 89。

本发明提供了一种槽式太阳镜聚光系统， 其结合塔式的特点建成。 由平面 镜组成的多条槽式镜构成的太阳光聚焦到一条 管道上， 每条槽式镜由平面镜构 成， 采用单轴跟踪系统对太阳光进行跟踪。 管道内壁由对可见光透明、 对红外 光反射好、 绝热性能好的轻质材料（如纳米孔 SiQ ₂ 超绝热材料）制成， 管道外 由玻璃覆盖。 管道的一端有风机将待加温的常压空气流经管 道直接加热。 在管 道的终点， 被加热的常压高温空气进入本发明所提供的沉 降室换热器 9将热量 传递给工质流沙 5， 后将流沙输入到储热罐 2储存。