專(zhuān)利名稱：會(huì)聚的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電力系統(tǒng)和方法，用于以高溫把太陽(yáng)能會(huì)聚并儲(chǔ)存在充滿流體的接收器中。該儲(chǔ)存的能量可以用于發(fā)電。
背景技術(shù)：
當(dāng)前流行使用的大規(guī)模太陽(yáng)能會(huì)聚器和儲(chǔ)存系統(tǒng)，通常包含太陽(yáng)能反射器場(chǎng)地， 使光聚焦到塔式安裝的接收器結(jié)構(gòu)上。該接收器結(jié)構(gòu)可以是直接吸收型(如，向下流過(guò)豎直表面的熔化鹽)或管型(如，用流過(guò)管的水)。該熱儲(chǔ)存媒體吸收熱能，并在水的情形下轉(zhuǎn)變成蒸氣，或者可以用于產(chǎn)生蒸氣，供常用的蒸氣渦輪機(jī)系統(tǒng)用于發(fā)電。被加熱的媒體可以被轉(zhuǎn)移到保溫的儲(chǔ)存箱，以便當(dāng)太陽(yáng)不再照射時(shí)，來(lái)自儲(chǔ)存箱的熱的媒體，可用于為動(dòng)力循環(huán)(power cycle)提供熱量。太陽(yáng)能電力塔有諸多不足之處，從負(fù)面影響它們的經(jīng)濟(jì)性。例如，由于接收器中鍋爐管是不保溫的并暴露于周?chē)h(huán)境，這樣的系統(tǒng)因空氣對(duì)流和從熱的表面的輻射，招致高的熱損耗。此外，儲(chǔ)存媒體必須被向上抽運(yùn)到鍋爐的標(biāo)高，這要求相當(dāng)大的抽運(yùn)電力。結(jié)果是，太陽(yáng)能塔式系統(tǒng)的整個(gè)效率，是相對(duì)低的-約20%。再有，建造支承該笨重接收器的太陽(yáng)能電力塔的投資費(fèi)用是高的。塔式安裝的接收器的一些缺點(diǎn)，在另外的系統(tǒng)中已被克服，這些系統(tǒng)的塔支承二次反射鏡，把太陽(yáng)能再引進(jìn)地面上的接收器，或者最好是部分地被埋入地面的接收器。在消極方面，二次反射鏡的使用還降低太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能的效率。為了使二次反射鏡不致因過(guò)熱而損壞，該系統(tǒng)的效率進(jìn)一步受二次反射鏡能夠承受的最大太陽(yáng)能密度的約束。對(duì)太陽(yáng)能電力系統(tǒng)儲(chǔ)存高能量密度能力的附加的約束，是由儲(chǔ)存媒體處于化學(xué)穩(wěn)定的溫度范圍造成的。目前使用的熔化鹽合成物，諸如硝酸鹽混合物，當(dāng)溫度接近600° C時(shí)分解，因此限制最大溫度，從而限制該系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)存密度和接收器下游的動(dòng)力循環(huán)的效率。因此，需要的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)是有利于高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、高密度能量?jī)?chǔ)存和耐用又連續(xù)的電力供應(yīng)，最好是低投資費(fèi)用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供會(huì)聚的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)和方法，這些系統(tǒng)和方法同時(shí)解決上述太陽(yáng)能電力系統(tǒng)的許多問(wèn)題和限制。在不同的實(shí)施例中，這些系統(tǒng)和方法，利用含有(通常是高溫的)太陽(yáng)能吸收材料，諸如相變材料的太陽(yáng)能接收器，與太陽(yáng)能會(huì)聚器系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，該太陽(yáng)能吸收材料起熱儲(chǔ)存媒體的作用。該太陽(yáng)能會(huì)聚器系統(tǒng)可以由定日鏡的陣列形成，該定日鏡陣列反射并會(huì)聚太陽(yáng)光進(jìn)入接收器。在該接收器中，太陽(yáng)輻射全被該吸收材料的至少一部分體積吸收，并由此轉(zhuǎn)換為能夠立即被儲(chǔ)存的熱能，而且被應(yīng)用于，例如，作為過(guò)程熱量的源，產(chǎn)生供常用的蒸氣循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電的蒸氣，或使工作流體在脫鹽循環(huán)中預(yù)熱。在某些實(shí)施例中，接收器被(至少部分地)埋入地面，地面提供絕熱，從而使基于地面的接收器成為比塔式安裝的接收器更為經(jīng)濟(jì)的熱庫(kù)。定日鏡可以被置于接收器之上的標(biāo)高上(例如，在山坡上)，有效地作為有小面的向下射束光學(xué)裝置(faceted beam-downoptic)起作用。該配置消除與向下射束系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的費(fèi)用和復(fù)雜性，該向下射束系統(tǒng)通常包含大的二次塔式基礎(chǔ)的雙曲形反射鏡和在塔的基座上許多初級(jí)的會(huì)聚功率收集器(powercollector)。該接收器可以包含開(kāi)口容器，用于保持相變材料“槽”或“池”，以及置于該容器之上的蓋，以限制相變材料由于汽化帶來(lái)的損耗和幫助把被捕獲的太陽(yáng)能保留在接收器中。把熱儲(chǔ)存媒體包含在箱型容器中而不是鍋爐管中，允許使用能夠承受更高溫度的容器材料和構(gòu)造，且此外通常還相對(duì)便宜。該蓋可以包含冷卻系統(tǒng)，以利于汽化的相變材料(通常是 熔化鹽合成物)凝結(jié)和保存，由此使材料損耗最小。凝結(jié)的相變材料可以在蓋的下側(cè)形成反射層。由容器和/或蓋形成的結(jié)構(gòu)，可以包含單個(gè)入口孔，太陽(yáng)輻射被引導(dǎo)通過(guò)該孔進(jìn)入。任選的跨越該入口孔的空氣簾，可以進(jìn)一步降低或防止能量和相變材料從該接收器損耗，以及防止相變材料被含塵和污物的空氣污染。換種方式，該接收器可以包含門(mén)，用于例如，隨太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度而打開(kāi)和關(guān)閉該入口孔。在某些實(shí)施例中，該熱儲(chǔ)存媒體是熔化鹽合成物，它在超過(guò)700° C的溫度，而最好高達(dá)至少1000° C的溫度上是化學(xué)穩(wěn)定的。要把熔化鹽中儲(chǔ)存的熱量轉(zhuǎn)移到工作流體，該合成物的一部分可以與較冷的熔化鹽混合，用于把混合物的溫度降低到足夠低的值，以便能引導(dǎo)它通過(guò)常用的產(chǎn)生水蒸汽的熱交換器。在通過(guò)熱交換器之后，該鹽被回收，進(jìn)入接收器和/或較冷的熔化鹽的儲(chǔ)存循環(huán)。換種方式，為達(dá)到更高的熱力學(xué)效率，回?zé)崾綗峤粨Q器可以被使用，在該回?zé)崾綗峤粨Q器中，來(lái)自該箱的熱的鹽，把熱量轉(zhuǎn)移到從蒸氣發(fā)生器熱交換循環(huán)中返回的較冷的鹽。在一些實(shí)施例中，該鹽混合物在接近或超過(guò)700° C的溫度上進(jìn)入熱交換器，有利于合理地高效的直接空氣布雷頓(Brayton)動(dòng)力循環(huán)的使用，該布雷頓動(dòng)力循環(huán)不要求水冷。在一些實(shí)施例中，接收器中熔化鹽按需要從容器的頂部被抽運(yùn)，向蒸氣發(fā)生器或其他動(dòng)力循環(huán)提供大體上恒定的動(dòng)力輸入(power input)ο來(lái)自蒸氣發(fā)生器的冷的鹽被抽運(yùn)到容器的底部。該容器可以包含保溫的分隔板，該分隔板在該容器內(nèi)的被熱致分層的熱的和冷的層之間提供物理的和熱的屏障。該分隔板可以沿軸向上、下移動(dòng)，允許熔化鹽通過(guò)該板和容器壁之間的環(huán)形間隙空間(cIearance space )，越過(guò)該板移動(dòng)，使熱的和冷的鹽的體積保持在需要的溫度范圍中(例如，在大體上恒定的溫度上)，以便連續(xù)操作。結(jié)果是，即使太陽(yáng)不再照射時(shí)，容器中鹽的平均溫度下降，也能夠提供高溫的蒸氣。此外有利的是，因?yàn)槿萜髦宣}的總體積不變化，鹽的頂表面仍然在太陽(yáng)場(chǎng)(solar field)的焦點(diǎn)上。按照不同的實(shí)施例的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，提供能量?jī)?chǔ)存，對(duì)有云遮擋或夜間缺乏太陽(yáng)光進(jìn)行補(bǔ)償。因此，它們有助于晝夜不停地滿足基本負(fù)荷動(dòng)力需求(power needs)，無(wú)需大量燃燒礦物燃料的支持或高成本的(且尚未可用)試驗(yàn)性電池儲(chǔ)存器。結(jié)果是，本文公開(kāi)的不同的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)不但提供能量節(jié)省，而且為公用電力公司提供顯著的免安裝的容量。一方面，本發(fā)明提供會(huì)聚的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，包含基于地面的太陽(yáng)能接收器，以及多個(gè)定日鏡，這些定日鏡被配置成使它們把射入的太陽(yáng)輻射直接反射(即，沒(méi)有進(jìn)一步的反射)，通過(guò)接收器孔進(jìn)入接收器的內(nèi)部。該接收器適合容納太陽(yáng)能吸收材料(該太陽(yáng)能吸收材料本身可以是該系統(tǒng)的部件)，用于使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱量。該太陽(yáng)能吸收材料可以包含或?qū)嵸|(zhì)上由相變材料組成，該相變材料可以是半透明的，并可以按液體形式包含熔化鹽(諸如，舉例說(shuō)，氯化物鹽、氟化物鹽、碳酸鹽、亞硝酸鹽、或它們的混合物)。在某些實(shí)施例中，該熔化鹽是氯化物鹽，而該相變材料還包括氫氧化物，以便當(dāng)該熔化鹽與潮濕空氣接觸時(shí)，降低HCl的生成。此外,在一些實(shí)施例中，該太陽(yáng)能吸收材料包含納米粒子混合物，以改善該吸收材料的太陽(yáng)輻射吸收特征。定日鏡可以被定位在接收器的孔上方的一定標(biāo)高上(例如在山坡上)，并被定向，以便通過(guò)該孔穿過(guò)的或被聚焦的太陽(yáng)輻射，主要地被引導(dǎo)到太陽(yáng)能吸收材料的表面上。該 接收器可以至少部分地被埋入地面。在一些實(shí)施例中，該接收器包含容器和被置于該容器之上的蓋。定日鏡于是可以被置于接收器以下的一定標(biāo)高上并被定向，以便穿過(guò)該孔的太陽(yáng)輻射被引向該蓋的下側(cè)。該基于地面的接收器和定日鏡一起，可以被配置成有利于加熱太陽(yáng)能吸收材料到在約600° C到至少約1000° C范圍內(nèi)的溫度。另一方面，本發(fā)明針對(duì)一種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它包含太陽(yáng)能接收器、熱交換器和混合腔，該太陽(yáng)能接收器適合容納用于把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能的太陽(yáng)能吸收材料；該熱交換器適合把來(lái)自液化的太陽(yáng)能吸收材料的熱能轉(zhuǎn)移到工作流體，用于產(chǎn)生機(jī)械能和/或電能；而該混合腔適合把液化的太陽(yáng)能吸收材料與來(lái)自熱交換器出口的較冷的太陽(yáng)能吸收材料混合，以便在傳送該液化的太陽(yáng)能吸收材料至熱交換器之前，降低該液化的太陽(yáng)能吸收材料的溫度。該系統(tǒng)還可以包含與接收器流體連通的熱能儲(chǔ)存庫(kù)，和/或處在熱交換器和混合腔中間的(并與熱交換器和混合腔流體連通的)一個(gè)或多個(gè)熱能儲(chǔ)存庫(kù)。該太陽(yáng)能接收器可以適合容納溫度在約600° C到至少約1000° C范圍內(nèi)的相變材料。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包含用于把工作流體的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的渦輪機(jī)，和/或由該渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，以便把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明另一方面還提供一種使用會(huì)聚的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)產(chǎn)生能量的方法。該方法包含的步驟有在單次反射中引導(dǎo)太陽(yáng)輻射通過(guò)接收器孔進(jìn)入太陽(yáng)能接收器，以便把太陽(yáng)能會(huì)聚在該接收器中，從而加熱被包含在該接收器中的太陽(yáng)能吸收材料到在約600° C到至少約1000° C范圍內(nèi)的溫度，把來(lái)自被加熱的太陽(yáng)能吸收材料的熱能轉(zhuǎn)移到工作流體，并用該工作流體產(chǎn)生至少機(jī)械能和電能之一。在一些實(shí)施例中，該熱能在超過(guò)約700° C的溫度上被轉(zhuǎn)移到工作流體。該工作流體可以是或包含空氣，而該能量產(chǎn)生步驟可以利用直接空氣布雷頓動(dòng)力循環(huán)(它在某些實(shí)施例中不要求水冷)。在一些實(shí)施例中，該熱能從被加熱的太陽(yáng)能吸收材料被轉(zhuǎn)移到熱交換器中的工作流體。該方法此外可以包含使來(lái)自接收器的液化的太陽(yáng)能吸收材料，與來(lái)自熱交換器出口的較冷太陽(yáng)能吸收材料混合的步驟，以便在傳送該液化的太陽(yáng)能吸收材料到熱交換器之前，降低該液化的太陽(yáng)能吸收材料的溫度。
本發(fā)明的再另一個(gè)方面，涉及一種太陽(yáng)能接收器。該接收器包含有適合容納太陽(yáng)能吸收材料的內(nèi)部的容器，以及被置于該容器之上的蓋。該容器定義沿上部的開(kāi)孔，以允許太陽(yáng)輻射照射在太陽(yáng)能吸收材料上，并在一些實(shí)施例中，與該蓋一道形成入口孔，以便允許太陽(yáng)輻射通過(guò)該孔穿過(guò)。該系統(tǒng)還包含冷卻系統(tǒng)，以利于沿蓋的下側(cè)被收集的至少一部分汽化的太陽(yáng)能吸收材料的凝結(jié)。該蓋的下側(cè)可以適合把照射的太陽(yáng)輻射向該容器內(nèi)部反射，并可以形成非成像的會(huì)聚器。在一些實(shí)施例中，該會(huì)聚器包含與在蓋上收集的凝結(jié)的太陽(yáng)能吸收材料組合的蓋的下側(cè)。該蓋可以適合把至少一部分凝結(jié)的太陽(yáng)能吸收材料返還給該容器的內(nèi)部。在一些實(shí)施例中，該接收器包含至少一個(gè)對(duì)流引發(fā)單元，被放置在或接近該容器內(nèi)部的底部。該對(duì)流引發(fā)單元可以是，或包含大體上錐形的元件。該系統(tǒng)還可以包含門(mén)，任選地是保溫的，用于關(guān)閉該入口孔以降低從該接收器的熱能損耗，并阻止通過(guò)該孔的質(zhì) 量轉(zhuǎn)移，或者包含跨越入口孔的空氣簾，以降低熱能損耗和降低通過(guò)該孔的質(zhì)量轉(zhuǎn)移(masstransfer)。

在又一方面中，是提供一種用于發(fā)電的捕獲太陽(yáng)能的方法，該方法包含引導(dǎo)太陽(yáng)輻射通過(guò)接收器的入口孔(該孔由容器和/或被置于該容器之上的蓋形成，而該容器有暴露的其中有太陽(yáng)能吸收材料的內(nèi)部)；冷卻該蓋使液化的太陽(yáng)能吸收材料產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)；以及把至少一部分被凝結(jié)蒸汽返還給該容器的內(nèi)部。淀積在該蓋下側(cè)的被固化太陽(yáng)能吸收材料可以被熔化，例如，作為直接照射在該被固化材料上的太陽(yáng)輻射的結(jié)果，和/或作為反射離開(kāi)接收器中材料的上表面的太陽(yáng)輻射的結(jié)果。在一些實(shí)施例中，該方法還包含形成跨越入口孔的空氣簾，以降低熱能損耗和/或質(zhì)量轉(zhuǎn)移；和/或誘發(fā)該容器中相變材料的對(duì)流(如，使用被放置在或靠近容器內(nèi)部的底部的一個(gè)或多個(gè)對(duì)流弓I發(fā)單元)。在又一方面中，各個(gè)不同的實(shí)施例是針對(duì)一種太陽(yáng)能接收器，它包含適合容納和大體上封閉熔化鹽的容器結(jié)構(gòu)，以及水平地放置在該容器結(jié)構(gòu)中可沿豎直方向移動(dòng)的分隔板，以便把該容器結(jié)構(gòu)分隔成上部和下部。該容器結(jié)構(gòu)定義允許太陽(yáng)輻射通過(guò)而進(jìn)入該接收器的入口孔，該入口孔可以被門(mén)關(guān)閉，該門(mén)在一些實(shí)施例中是該接收器的一部分。該分隔板形成環(huán)形間隔空間，允許熔化鹽在該容器的上部和下部之間流動(dòng)。該環(huán)形間隔空間的徑向尺寸可以被選擇，以便大體上防止分隔板與容器之間的機(jī)械結(jié)合，和/或使容器內(nèi)分隔板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)鹽卷流排出(plume expuIsion)和在分隔板運(yùn)動(dòng)的相反方向上(如在熱的一側(cè))的混合。該接收器還可以包含豎直運(yùn)動(dòng)致動(dòng)系統(tǒng)，以控制分隔板的豎直位置。用于驅(qū)動(dòng)該致動(dòng)系統(tǒng)以使分隔板移動(dòng)的控制器，也能夠被包含。該控制器可以移動(dòng)分隔板，以便當(dāng)太陽(yáng)能被添加和借助從分隔板熱的一側(cè)抽運(yùn)鹽，通過(guò)熱交換器，并回到冷的一側(cè)(即容器的下部)而抽出熱能時(shí)，使該分隔板熱的一側(cè)(即，一般是容器的上部)上的鹽大體上保持恒定溫度。換句話說(shuō)，該控制器可以移動(dòng)分隔板，以便使接收器的凈熱增量，大體上與從下部位移至上部的熔化鹽的顯熱(sensible heat)增量平衡，并使從接收器的凈熱抽出，大體上與從上部位移至下部的熔化鹽的的顯熱損失平衡。該控制器還可以移動(dòng)該分隔板，以便使該分隔板的位置，大體上與該容器結(jié)構(gòu)中熱致分層的熱的和冷的熔化鹽層之間的邊界重合。該分隔板可以由抗腐蝕與蠕變的合金或帶肋的鋼板構(gòu)成，或者包含抗腐蝕與蠕變的合金或帶肋的鋼板。此外，它可以包含保溫耐熔陶瓷層。當(dāng)該接收器被熔化鹽充滿時(shí)，分隔板可以基本上是隨遇地漂浮的。在一些實(shí)施例中，該分隔板包含中空管狀結(jié)構(gòu)。該分隔板的上表面可以是有紋理的、被涂覆的和/或被氧化的，以增強(qiáng)太陽(yáng)能吸收率和降低鏡面反射率。再一方面，是針對(duì)在保持熔化鹽的被覆蓋容器中儲(chǔ)存太陽(yáng)能的一種方法，該容器被水平的分隔板分開(kāi)成上部和下部，其中該分隔板留出環(huán)形間隔空間，供鹽從中流過(guò)。該方法包含在該容器中接收太陽(yáng)能，從而加熱容器的上部中熔化鹽；豎直地移動(dòng)分隔板，以便不斷地分別地在該上部和該下部的熔化鹽的平均溫度之間，保持至少最小的溫度差；以及從容器的上部中的熔化鹽抽出熱量。該方法還可以包含，根據(jù)通過(guò)由被覆蓋的容器定義的入口孔的太陽(yáng)能強(qiáng)度，打開(kāi)和關(guān)閉該入口孔的門(mén)。抽出熱量可以包含，從該容器的上部抽運(yùn)熱的迷人熔化鹽送至熱交換器，并從該熱交換器把較冷的鹽返還給該容器的下部。在該容器上部和下部中熔化鹽的總體積，可以基本上被保持恒定。該方法還可以包含有效地冷卻該容器的蓋，而從有效地被
冷卻的蓋抽出的熱量，可以被用于預(yù)熱動(dòng)力循環(huán)和/或脫鹽循環(huán)中的流體。在一些實(shí)施例中，汽化的鹽在有效地被冷卻的蓋的下側(cè)被凝結(jié)。


前面所述將從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述更容易理解，附圖中圖I是按照本發(fā)明一些實(shí)施例的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)的示意側(cè)視圖，該系統(tǒng)包含安裝在山坡的定日鏡和在該山底的接收器；圖2是按照一些實(shí)施例的定日鏡陣列的示意透視圖；圖3是按照一些實(shí)施例的包含傾斜的接收器的小規(guī)模太陽(yáng)能電力系統(tǒng)示意側(cè)視圖；圖4是按照一些實(shí)施例的有單個(gè)入口孔的太陽(yáng)能接收器的透視圖；圖5A和5B是按照一些實(shí)施例的有兩個(gè)入口孔的太陽(yáng)能接收器的不同透視圖；圖6A和6B按照一些實(shí)施例，分別是傾斜的太陽(yáng)能接收器和它與熱交換器交接的剖面透視圖；圖7按照一些實(shí)施例,不出空氣簾的速度分布不意圖；圖8按照一些實(shí)施例，示出對(duì)流引發(fā)單元的效果的一組計(jì)算機(jī)模擬圖像；圖9A和9B按照一些實(shí)施例，分別是分隔板在下位置和在上位置的被分隔太陽(yáng)能接收器的剖面透視圖；圖10是曲線，按照一些實(shí)施例，示出輸入到被分隔的太陽(yáng)能接收器的太陽(yáng)功率的兩晝夜循環(huán)，以及對(duì)應(yīng)的分隔板位置；圖11是流程圖，示出按照一些實(shí)施例的方法，用于確定在被分隔太陽(yáng)能接收器中的分隔板位置；圖12是被分隔的充滿鹽的太陽(yáng)能接收器容器的側(cè)視圖，對(duì)容器中分隔板和壁之間不同徑向間隙，示出熔化鹽卷流的對(duì)比；圖13是流程圖，示出按照一些實(shí)施例的方法，用于設(shè)計(jì)用于被分隔的太陽(yáng)能接收器的分隔板；和圖14是方框圖，示出按照一些實(shí)施例的熱能儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)移和發(fā)電系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式I.太陽(yáng)能會(huì)聚器系統(tǒng)配置按照本發(fā)明各個(gè)不同的實(shí)施例的會(huì)聚太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，一般把太陽(yáng)能反射器場(chǎng)地與熱接收器結(jié)合起來(lái)，該接收器例如包含被覆蓋的容器。圖IA示出這種系統(tǒng)的示例性配置100，其中的定日鏡102，即能跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的太陽(yáng)能反射器，被安裝在山坡或其他斜坡104上。定日鏡的反射表面可以有拋物面形狀。操作中，定日鏡102通常被取向，以便再引導(dǎo)射入的太陽(yáng)光直接進(jìn)入在或接近斜坡底或山底的接收器106，如圖所示；不需要二次反射器。在非常高的太陽(yáng)能注入的條件下，一些定日鏡102可以不對(duì)準(zhǔn)或取向錯(cuò)誤，以免接收器106過(guò)熱；然而，如在下面所討論，接收器106被設(shè)計(jì)成容許并操作在遠(yuǎn)超過(guò)常用系統(tǒng)的溫度上。接收器106包含保持熱儲(chǔ)存流體109，諸如熔化鹽的合成物或其他相變材料的容
器108。容器壁可以是保溫的。在一些實(shí)施例中，保溫是通過(guò)把接收器106大部分埋入地中，只留出接收器蓋110和入口孔112實(shí)現(xiàn)的，太陽(yáng)輻射能夠通過(guò)地面上的該入口孔112進(jìn)入，如圖所示。被反射離開(kāi)定日鏡102并通過(guò)入口孔112的太陽(yáng)輻射，可以或者直接入射在熱儲(chǔ)存流體的表面上，或者入射在蓋110的下側(cè)，取決于它進(jìn)入接收器所沿的角度。穿透儲(chǔ)存流體的太陽(yáng)輻射，按容積沿它的路徑被吸收。被捕獲的太陽(yáng)能通過(guò)對(duì)流可以被分布到整個(gè)池，該對(duì)流可以用定位在容器108的底部和/或壁上的任選的對(duì)流單元114而變得更為有效。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，該熱儲(chǔ)存流體是高溫鹽合成物。即，在約700° C到約1000° C或更高的范圍中的溫度下不分解的一種或多種鹽的合成物。使用高溫儲(chǔ)存媒體，允許定日鏡陣列把非常大量的太陽(yáng)能會(huì)聚到接收器中，并可以導(dǎo)致該系統(tǒng)更高的能量效率。在熔化鹽的池表面，溫度通常達(dá)到使一些熔化鹽汽化的程度。汽化的鹽蒸汽上升，并淀積在蓋110的下側(cè)，該蓋110可以有效地被冷卻以促進(jìn)凝結(jié)和/或固化。照射在固化的鹽上的被反射的太陽(yáng)光，可以有利地使它再熔化。作為凝結(jié)和熔化過(guò)程的結(jié)果，形成在蓋上的鹽層被不斷地再填滿。圖2畫(huà)出系統(tǒng)的等角視圖，該系統(tǒng)有數(shù)十個(gè)定日鏡102被安裝在山坡104上并引導(dǎo)太陽(yáng)輻射進(jìn)入位于地面水平116上的接收器106。然而，典型的系統(tǒng)可以包含數(shù)千個(gè)定日鏡，這些定日鏡可以按陣列或另一種方式排列，取決于局部地形。如果，如圖所示，該接收器106被置于(或埋入)平坦地面120上，離該山有一些距離，那么能夠獲得比接收器也位于該山上的配置更高的效率。在某些優(yōu)選實(shí)施例中，接收器106離山底的距離約為定日鏡場(chǎng)地半徑的一半。在山底和接收器之間的空間，可以安裝常用的光電板以利用該可用的空間發(fā)電，從而增加土地投資的回報(bào)。圖3畫(huà)出本發(fā)明的小規(guī)模實(shí)施例300，該實(shí)施例的包含兩個(gè)行302、304的定日鏡陣列，把太陽(yáng)光射進(jìn)傾斜的圓柱形接收器310中。在被示出的例子中，平面反射鏡定日鏡306與太陽(yáng)能能源收集器308組合使用。該太陽(yáng)能能源收集器308避免需要大量的入口孔，要不然這些入口孔可能引起顯著的熱損耗。在另外的實(shí)施例中，有良好聚焦性能的拋物形反射器定日鏡，可以用在小規(guī)模系統(tǒng)中。在一種另外的配置中，接收器容器被安裝在太陽(yáng)能塔的頂部。蓋被置于容器之上。太陽(yáng)光被反射離開(kāi)位于接收器以下標(biāo)高的定日鏡，并被引向該蓋的下側(cè)，在那里，太陽(yáng)光被再引導(dǎo)到熔化鹽池或容器中其他太陽(yáng)能吸收材料上。類(lèi)似于上面對(duì)圖I描述的蓋，該蓋可以主動(dòng)地或被動(dòng)地被冷卻，以便允許汽化的鹽凝結(jié)并形成自行再填滿的反射鏡表面。環(huán)形邊緣或滴水檐可以被提供在蓋的下側(cè)，以引導(dǎo)下滴的熔化鹽回到池中。此外，均勻和光滑的鹽層是高度反射的，并自身能夠被用作反射鏡，消除從反射鏡表面下面清除鹽淀積物的必要?；邴}的反射表面還有超過(guò)正規(guī)反射鏡的優(yōu)點(diǎn)，即使被非常高強(qiáng)度輻照，也不會(huì)被損壞或破壞。該系統(tǒng)可以包含地下儲(chǔ)存箱，它通過(guò)管道從接收器容器接收被加熱的鹽。泵浦可以從該儲(chǔ)存箱提升冷的鹽到接收器箱，熱的鹽則流過(guò)攔壩到下降管并回到該儲(chǔ)存箱。2.太陽(yáng)能接收器按照本發(fā)明某些實(shí)施例的太陽(yáng)能接收器，可以包含用于保持熱儲(chǔ)存流體(如，熔化鹽)的容器和置于該容器之上的蓋，如圖I示意所示。典型的容器可以有數(shù)十米的直徑和數(shù)米的高度；這樣的容器能夠保持?jǐn)?shù)千噸熔化鹽，并適合供基于地面的接收器使用(例如，如圖I和3所示)。該容器的形狀，例如可以是圓柱形、弓弧形、或立方形。該容器底部和側(cè) 壁可以由金屬，如鐵、鉻、鎳、鑰和錳制成。液體鹽容器的普通類(lèi)型有由不銹鋼或鉻鎳鐵合金做成的外皮，以及耐火磚的內(nèi)部襯里。要從熔化鹽抽出熱量，與容器表面接觸的熱交換器可以被使用。換種方式，鹽可以被抽運(yùn)到接收器外部的熱交換器，在那里它能夠被用于產(chǎn)生蒸氣。從其中抽出熱量的熔化鹽的儲(chǔ)存系統(tǒng)和方法，用于其他商業(yè)的和工業(yè)的過(guò)程應(yīng)用，本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員是周知的。被置于容器之上的蓋，同樣可以用耐火磚做襯里，并可以沿至少一個(gè)容器壁的上邊緣與該容器連接。在一些優(yōu)選實(shí)施例中，該蓋基本上封閉容器之上的空間，只在一側(cè)上留出單個(gè)入口孔。在某些實(shí)施例中，該孔有約兩平方米的面積。為避免汽化的鹽和隨同它的能量通過(guò)該孔的損耗，該接收器可以包含門(mén)或類(lèi)似的裝置，以臨時(shí)關(guān)閉該孔(特別是在黑暗或低太陽(yáng)能強(qiáng)度期間)，或者生成跨越該孔的空氣簾，如在下面更詳細(xì)的討論。圖4畫(huà)出示例性弧形接收器400的正面三維視圖，該接收器包含充滿鹽的容器402、蓋404、孔406和若干個(gè)熱交換器窗408。這樣的弧形接收器例如能夠被用于面對(duì)覆蓋90°角的定日鏡陣列。在典型的山坡上，兩個(gè)這樣的接收器和定日鏡陣列可以被使用。由于熔化鹽升高的溫度，尤其是在池的表面，鹽通常經(jīng)受一些汽化，而該蒸汽將凝結(jié)在其溫度在熔化溫度以下的表面上。在各個(gè)不同的實(shí)施例中，該蓋被空氣或水在背面冷卻(例如使用冷卻管120，如圖I所示)，而蓋的下側(cè)因而呈現(xiàn)這樣的凝結(jié)表面。(如果容器蓋的下側(cè)為金屬且保持在高于熔點(diǎn)的溫度上，它將迅速氧化并褪色，導(dǎo)致對(duì)接收器中散射的太陽(yáng)光的反射率降低)。因?yàn)槟Y(jié)的鹽的傳導(dǎo)系數(shù)比液體鹽的低得多，所以它可以被用作保護(hù)性涂層。從熱的鹽轉(zhuǎn)移到冷卻的流體的熱能，可以被用于預(yù)熱流向蒸氣發(fā)生器的水，要不被回收并送進(jìn)動(dòng)力循環(huán)以增加效率。鹽凝結(jié)層可以積累到穩(wěn)態(tài)厚度，也可以經(jīng)歷多次相變，在蓋的下側(cè)形成光滑的固體-液體-氣體層，該層是高反射的，從而構(gòu)成耐久的反射鏡。它與水體的表面相比，可以增強(qiáng)掠入射反射，因而再引導(dǎo)來(lái)自定日鏡的沒(méi)有直接照射鹽池的太陽(yáng)光。此外，在蓋下側(cè)的鹽層，可以再引導(dǎo)離開(kāi)池表面散射的輻射返回該池中。為增強(qiáng)該效應(yīng)，該蓋可以被彎曲，最好形成非成像的會(huì)聚器。該蓋的彎曲的或傾斜的形狀，還允許熔化鹽向后流動(dòng)，進(jìn)入該容器和被該容器再捕獲。
圖5A和5B分別畫(huà)出另一個(gè)示例性接收器實(shí)施例的三維側(cè)視圖和三維部分剖面正面視圖。在此，接收器500包含大的圓柱形容器502，該容器502建立鹽(未畫(huà)出)的腔504。太陽(yáng)光可以從兩個(gè)定日鏡陣列通過(guò)兩個(gè)孔506、507被會(huì)聚。通常，由于太陽(yáng)光光線擴(kuò)展的
0.01弧度發(fā)散度，以及通過(guò)不能總與來(lái)自每一定日鏡的每個(gè)光束垂直的孔的被聚焦光束的交叉，所以每個(gè)定日鏡陣列形成90°度弧，以控制光束的大小。為防止通過(guò)一個(gè)孔(如，506)射進(jìn)接收器的太陽(yáng)光立刻射出其它孔(如，507)，該接收器包含反射結(jié)構(gòu)508，該反射結(jié)構(gòu)508例如可以是從容器蓋懸掛下來(lái)的圓錐狀結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施例中，該反射結(jié)構(gòu)508有構(gòu)建在其內(nèi)的熱交換器，使鹽蒸汽凝結(jié)在它的表面，從而形成保護(hù)和反射涂層，類(lèi)似于上述的該蓋下側(cè)的鹽涂層。在一些實(shí)施例中，蓋510(圖5B中只畫(huà)出該蓋的一半，以顯露接收器的內(nèi)側(cè))，或蓋的一部分，是可拆卸的，以利于裝填鹽和/或維護(hù)。圖6A畫(huà)出傾斜的圓柱形接收器600的剖面視圖，例如可供圖2所示太陽(yáng)能電力系統(tǒng)使用，而圖6B畫(huà)出該傾斜的圓柱形接收器600的熱交換器接口的剖面視圖。在該實(shí)施例
中，太陽(yáng)光可以用會(huì)聚的能源收集器208會(huì)聚，并可以通過(guò)入口孔602射到該容器內(nèi)熔化鹽池604的表面。太陽(yáng)光的一部分被折射進(jìn)鹽中并通過(guò)鹽體積被吸收，而該光的另一部分被反射離開(kāi)該池表面，其后離開(kāi)蓋606的下側(cè)，該蓋可以被冷卻以利于鹽的凝結(jié)，以便提供保護(hù)和反射涂層。在一些實(shí)施例中，該蓋是平面形的，如圖所示。一般說(shuō)來(lái)，蓋的形狀可以按本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員周知的方式，根據(jù)漫反射光學(xué)的定律被優(yōu)化。該鹽池604可以被耐熔襯里608包圍，該耐熔襯里又被金屬容器610包住。在一些實(shí)施例中，耐熔襯里中的窗612能使熱量流向熱交換器614，該熱交換器有入口 /出口616，用于加熱二次鹽熱量轉(zhuǎn)移環(huán)路，如常常在熱處理工業(yè)中所使用，或用于直接蒸氣產(chǎn)生。為使熱交換器614按低應(yīng)力方式與容器610耦連，以防高溫蠕變，液態(tài)金屬618，諸如，舉例說(shuō)，銻、錫、鎂、鋁、或它們的共晶可以被使用。此外，為降低傳導(dǎo)和對(duì)流損耗，該容器610可以被保溫層620 (如，類(lèi)似于蒸氣渦輪機(jī)系統(tǒng)中用于覆蓋高溫蒸氣管的保溫材料)覆蓋。容器610的底部622最好也是保溫的，且此外在結(jié)構(gòu)上適合支承該系統(tǒng)的重量。滿足這些要求的材料和結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被廣泛研究，以便在其他商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中使用，這是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員周知的。在各個(gè)不同的實(shí)施例中，高溫融化的鹽的高蒸汽壓力，在沒(méi)有任何緩解手段的情形下，可以導(dǎo)致通過(guò)該入口孔的鹽蒸汽的顯著損耗。該損耗率依賴于鹽的溫度和組成，并且依賴于接收器和孔的細(xì)節(jié)。對(duì)850° C的NaCl/KCl鹽混合物和入口孔上5m/s的風(fēng)速，該損耗率經(jīng)過(guò)計(jì)算，大約為O. 2kg/m2/h。鹽的這樣損耗不僅使再裝滿費(fèi)用高昂，而且降低系統(tǒng)的能量效率，因?yàn)榭缭饺肟诳椎馁|(zhì)量轉(zhuǎn)移伴隨相應(yīng)的熱量轉(zhuǎn)移損耗。為防止汽化的鹽蒸汽逸出接收器，本發(fā)明的各個(gè)不同的實(shí)施例可以包含跨越該孔的空氣簾。該空氣簾可以由建在該蓋內(nèi)，或放在遠(yuǎn)處的帶導(dǎo)管的一個(gè)或多個(gè)電力鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生。圖7示出沿空氣噴流的寬度和長(zhǎng)度的速度分布，該空氣噴流在鼓風(fēng)機(jī)出口有寬度e?？缭皆摽諝鈬娏鞯馁|(zhì)量流率，是它的寬度、長(zhǎng)度、厚度和出口速度的函數(shù)。鼓風(fēng)機(jī)的功率要求同樣依賴于這些參數(shù)，因此，這些參數(shù)可以被選擇，以便使空氣簾的效率，即，由于該簾而節(jié)省的功率與鼓風(fēng)機(jī)要求的功率之比最大化。在一些實(shí)施例中，該出口速度可以是可調(diào)節(jié)的。一種合適的空氣簾類(lèi)型，尤其是空氣噴流參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和簾的功率平衡之間關(guān)系的更多細(xì)節(jié)，能夠在Adam Taylor Paxson 的“Design and Validation of an Air Window fora Molten Salt Solar Thermal Reciever，，(2009 年 6 月XBachelor of Science thesis,Massachusetts Institute of Technology)中找到,通過(guò)全文引用合并該文于本文。在一些實(shí)施例中，該接收器包含銳利地修邊的，或“有尖端”(如做成圓錐狀)的對(duì)流引發(fā)單元，被放置在容器的底部或壁上，如圖I所示。這些對(duì)流引發(fā)單元可以由模制的或碎裂的硅碳化物塊，或能承受熔化鹽池中條件的其他穩(wěn)定材料制成。它們作為熱成核地點(diǎn)起作用，并防止它熱致分層，該熱成核地點(diǎn)啟動(dòng)和/或增強(qiáng)容器中熔化鹽的對(duì)流混合。因此，它們有助于使鹽中熱點(diǎn)最少并防止鹽池的上表面過(guò)熱和沸騰。圖8出示有對(duì)流引發(fā)單元在底部的容器中溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果。在一些實(shí)施例中，該接收器容器被分隔板(通常被水平放置)分成上部和下部。圖9A和9B按三維剖面視圖畫(huà)出示例性被分隔的接收器900。操作中，當(dāng)需要發(fā)動(dòng)熱力學(xué)循環(huán)時(shí)，從上部902抽運(yùn)加熱的熔化鹽。例如，熱的熔化鹽可以被導(dǎo)向交換器的入口，而退出熱交換器的較冷的鹽可以被抽運(yùn)返回進(jìn)入接收器容器的下部904。結(jié)果是，該熔化鹽熱致分層，即，在容器頂部和底部之間形成有(常常是非線性的)溫度梯度的鹽層。

物理上把容器的上部和下部902、904分開(kāi)的分隔板906，可以是絕熱的，從而也在熱致分層的熱的和冷的層之間提供熱屏障。在一些實(shí)施例中，該板由抗腐蝕與蠕變的合金，或帶肋的鋼板構(gòu)成，并由耐火磚或耐熔陶瓷層保溫。雖然這樣的板是重的，但保溫耐火磚適度的厚度足以使它在熔化鹽中隨遇地漂浮。換種方式，中空管形結(jié)構(gòu)能夠被用于使分隔板結(jié)構(gòu)接近隨遇地漂浮。該結(jié)構(gòu)的中空管或腔，可以被設(shè)計(jì)成在操作溫度上有少許內(nèi)部壓力，以使腔壁中的應(yīng)力最小。例如，該分隔板可以由一系列加蓋管或其他合適的腔構(gòu)成。進(jìn)入接收器的光可以深入地穿透熔化鹽，以致它的至少一小部分射到分隔板906，引起對(duì)流流，從而把上部904中熱的鹽加熱到均勻的高溫度。該分隔板可以通過(guò)致動(dòng)索908、連桿、或其他力傳輸元件、通過(guò)汽缸、或通過(guò)任何其他能在包圍接收器900的環(huán)境中操作的合適的致動(dòng)系統(tǒng)部件，沿軸向向上或向下運(yùn)動(dòng)。分隔板906和容器壁之間的環(huán)形間隔空間(或“徑向間隙”)，在該板906被移動(dòng)的同時(shí)，允許鹽越過(guò)上部和下部902、904之間的分隔板906運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)該分隔板906被向上移動(dòng)時(shí)，熔化鹽從該上部902通過(guò)環(huán)形間隔空間流到該下部904。該接收器可以包含控制器910，它驅(qū)動(dòng)豎直致動(dòng)系統(tǒng)，以便使分隔板按與瞬間操作狀態(tài)和條件(例如，該接收器的使用，此時(shí)是作為太陽(yáng)能接收器或作為熱能的源；入射太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度；通過(guò)該接收器被抽運(yùn)的鹽的速率，等等)有關(guān)的適合的速度并沿正確方向移動(dòng)。該控制器910可以按硬件、軟件、或它們的組合，實(shí)施用于確定該適當(dāng)?shù)姆指舭逡苿?dòng)的方法(例如，如下面參照?qǐng)D11所述)。例如，該控制器910可以是或包含專(zhuān)用電子電路，或用合適軟件編程的通用計(jì)算機(jī)。圖9A和9B概念地示出，分隔板906位置如何與太陽(yáng)能注入接收器和熱能從接收器抽出有關(guān)。如圖9A所示，在陽(yáng)光充足的白天末尾，分隔板906已經(jīng)向下移動(dòng)，而接收器熱的一側(cè)被完全填充，即，上容器部分902占據(jù)該容器的全部?jī)?nèi)部體積。圖9B畫(huà)出在沒(méi)有任何太陽(yáng)能輸入而經(jīng)歷熱量抽出一段拉長(zhǎng)的時(shí)段之后的系統(tǒng)900 :該孔被保溫門(mén)912密封，以降低向環(huán)境的損耗，而在多云的白天和晚間之后，分隔板已經(jīng)向上移動(dòng)，冷的一側(cè)914是滿的。圖10描繪出在兩個(gè)白天/夜晚循環(huán)上分隔板的位置一個(gè)“理想白天”和一個(gè)幾乎是多云的“瞬變的白天”。作為一般規(guī)則，當(dāng)對(duì)接收器900的瞬時(shí)太陽(yáng)能輸入小于熱量抽出速率時(shí)，分隔板在箱中向上移動(dòng)，以保持熱的和冷的體積之間需要的溫度分布；當(dāng)該太陽(yáng)能輸入大于熱量抽出速率時(shí)，分隔板在接收器中向下移動(dòng)。分隔板906通常被升起和下降，這樣使分隔板906以上和以下的熔化鹽的相應(yīng)溫度(每一溫度在容器相應(yīng)部分上被平均)大體上保持恒定，或在(常常是窄的)指定極限之內(nèi)。使上部中熱的熔化鹽的溫度穩(wěn)定(盡管在該部分中鹽的體積是變化的)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的熱量抽出，而無(wú)需改變動(dòng)力循環(huán)的熱力學(xué)過(guò)程參數(shù)。如果接收器的任何凈熱量增益(由太陽(yáng)能輸入和從熔化鹽抽出的熱量引起)，與從下部到上部位移的熔化鹽部分的熱量增益平衡(即，大體上相等)，以及相反地，如果接收器的任何凈熱量損耗大體上等于從該容器的上部到下部位移的熔化鹽部分的熱量損耗，則一般避免上部和/或下部中的溫度變化。圖11示出分隔板的豎直位置的控制策略，它實(shí)現(xiàn)流進(jìn)或流出系統(tǒng)的凈熱量與轉(zhuǎn)移到位移的鹽體積的熱量之間需要的平衡。假設(shè)該板在給定時(shí)間區(qū)間At期間以恒定速度Vpiate移動(dòng)，它的位置改變了距離Az=VplateAttj引起的鹽位移的體積,是Δζ和分隔板面積Aplate的乘積。使位移的體積的溫度從下面容器部分的溫度變成上面容器部分的溫度，或反
過(guò)來(lái)，所要求的熱量依賴于鹽的密度P salt和比熱容csalt，以及熱的鹽和冷的鹽之間的溫度差Λ T :Q= P saltvplate Δ tAplatecsalt Δ Τ。在時(shí)間Λ t期間添加到接收器的凈熱量記以Σ Qsys,則在上述區(qū)間期間需要的板的速度因此是Vplate= Σ Qsys/ ( P salt Δ tAplatecsalt Δ Τ)如果凈熱量通量是正的，則分隔板向下移動(dòng)；如果凈熱量通量是負(fù)的，則分隔板向上移動(dòng)。按照本發(fā)明各個(gè)不同的實(shí)施例的被分隔的容器接收器，通常在分隔板與容器壁之間定義寬松的徑向間隙，以利于制造和支持操作的靈活性。間隔越小，鹽流過(guò)的速度一般越大，因此作用在分隔板的流動(dòng)阻力和牽引力也越大。對(duì)恒定的分隔板速度，漏出鹽的速度反比于環(huán)形間隔面積。對(duì)徑向間隙Sgap遠(yuǎn)小于箱直徑Dtank的圓柱形箱，該環(huán)形間隔面積能夠近似為Agap= 31 Dtank δ 卿間隔漏出鹽的總?cè)莘e流量是通過(guò)熱交換器的容積流量Qhx和通過(guò)移動(dòng)分隔板被位移的鹽的體積之和，該分隔板作為活塞起作用Qgap-QlK+ π Dtank · Vplate環(huán)形鹽流的平均速度因此是Vgap=Qgap/Agap作用在分隔板的牽引力的估算，能夠按照下式得到F-1/2 P saitvgap CdAplate-1/2 P saltQgap CdAplate/Agap這里Cd是與幾何形狀有關(guān)的牽引系數(shù)。對(duì)垂直于液體流的圓形平板，牽引系數(shù)Cd是I. 12。從這個(gè)最后的方程式能夠看到，牽引力與間隔面積的平方成反比地增加，即，間隔面積越小，牽引力越大。在分隔板上更大的牽引力，又要求更大的位置控制致動(dòng)器，這樣會(huì)增加系統(tǒng)的成本。此外，非常小的間隔可以使接收器易于鹽的凍結(jié)，或在分隔板和容器壁之間另一種使該系統(tǒng)不能動(dòng)的機(jī)械結(jié)合形式。另一方面，分隔板和容器壁之間寬松的徑向間隙導(dǎo)致非常低的流速。該低粘度熔化鹽的蠕變流動(dòng)通過(guò)緩慢移動(dòng)的板，通常施予板的牽引力可以忽略。環(huán)形間隔除它對(duì)接收器成本和操作的牢靠性的沖擊外，它對(duì)系統(tǒng)性能一般也有顯著影響。如圖12所示，不同的間隔間隙，導(dǎo)致不同的流動(dòng)和混合模式。圖12的插圖(i)示出寬的間隙，它導(dǎo)致慢的越過(guò)分隔板的流動(dòng)速度和未混合的冷鹽的弱層狀卷流。另一方面，圖12的插圖(ii)畫(huà)出相比更小的間隙，它通過(guò)確保冷的鹽的良好混合的卷流，在容器的上部中獲得均勻的溫度；冷的鹽有足夠的動(dòng)量穿透很遠(yuǎn)進(jìn)入熱的鹽區(qū)，而層狀紊流過(guò)渡或卷流的全紊流本性，促進(jìn)與熱的鹽體積良好混合。各種不同間隔間隙的冷的鹽向上“注入”較低密度的熱的鹽而引起的紊流度和混合、分隔板速度和鹽的性質(zhì)(如成分和溫度)，可以容易地用本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員周知的方法模擬和表征。此外，可能的卷流幾何形狀、液體卷吸混合和卷流擴(kuò)展角，能夠從以前出版的關(guān)于浮力驅(qū)動(dòng)層狀熱卷流和紊流熱和噴射卷流的著作中被推導(dǎo)出。例如見(jiàn)Moses 等人的“An experimental study of laminar plume”, J. FluidMech. , vol. , 251, pp. 581-601 (1993),和 Pera 等人的 “Laminar plume interactions，，，J. Fluid Mech. , vol. , 68, part 2，pp. 259-271 (1975)，這些文獻(xiàn)本文在此引用，供參考。圖13以流程圖示出熱接收器分隔板的設(shè)計(jì)過(guò)程。該過(guò)程包含確定導(dǎo)致需要的混合程度的間隔大小，然后對(duì)選定的間隔計(jì)算該系統(tǒng)的操作溫度范圍上的牽引力和熱間隙。如果牽引力高得不可接受，則縮小該徑向間隙。這一過(guò)程被重復(fù)迭代，直到在高的混合和低的牽引力之間的可接受的折中已經(jīng)找到為止。任選地，板的設(shè)計(jì)然后用表面涂層或流量改 善的面形結(jié)構(gòu)，諸如穿孔、溝槽、或其他形狀改進(jìn)。接著這些調(diào)整，是徑向間隙被細(xì)調(diào)，以再次獲得充分混合和容許的牽引力二者。分隔板可以按各種不同方式改善。例如，平的同心盤(pán)分隔板幾何形狀的熱和物理的分離，可以用例如旁通孔或適當(dāng)大小的穿孔改變。同樣，旁通凹槽或規(guī)則地隔開(kāi)的溝槽可以被做成扇形置于分隔板的一側(cè)，以建立引起卷流不穩(wěn)定性和促進(jìn)混合的不同流動(dòng)的區(qū)域。此外，該板的底表面能夠被做成非平面的；例如有凹槽和溝槽的凸或凹的輪廓能夠被用于引導(dǎo)流動(dòng)到需要的區(qū)。還有，在一些實(shí)施例中，分隔板的上表面有紋理、被涂覆和/或被氧化，以增強(qiáng)太陽(yáng)能吸收率和降低鏡面反射率。這些配置的各種不同組合和置換，可以被采用，以獲得特殊的效果。3.熔化鹽合成物預(yù)計(jì)在各個(gè)不同的實(shí)施例中使用的鹽的合成物包含三類(lèi)鹽的一元、二元和三元合成物氯化物鹽、碳酸鹽和氟化物鹽。合適的二元氯化物鹽例子，是50mol%的NaCl和50mol%的KCl的低熔混合物，它的熔點(diǎn)是657° C而操作范圍高達(dá)1100° C。合適的三元碳酸鹽例如是，32wt. %的Li2C03、33wt. %的Na2CO3和35wt. %的K2CO3的混合物，它的熔點(diǎn)是432° C而操作范圍高達(dá)950° C。傳統(tǒng)的硝酸/亞硝酸鹽，諸如53wt. %的KN03、40wt. %的NaNO2和7wt. %的NaNO3的混合物，通常不適合入選，因?yàn)樗鼈冊(cè)跍囟冉咏?00° C時(shí)分解。優(yōu)選的鹽的種類(lèi)滿足若干關(guān)鍵要求它們?nèi)加袑挿秶牟僮鳒囟?、在太?yáng)光譜相關(guān)波長(zhǎng)范圍上是半透明的，以及化學(xué)上與周?chē)牧?即，容器壁和蓋)和與高達(dá)至少1000° C的溫度的空氣是相容的。此外，它們相對(duì)地便宜并有低的毒性。按照某些實(shí)施例的示例性鹽的各種熱物理學(xué)的和光學(xué)的性質(zhì)，以及與傳統(tǒng)的硝酸/亞硝酸鹽比較，開(kāi)列在表I中。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能接收器，包括 容器，有適合容納太陽(yáng)能吸收材料的內(nèi)部，該容器定義沿其上部的開(kāi)孔，以允許太陽(yáng)輻射照射在該太陽(yáng)能吸收材料上； 蓋，被放置在該容器之上，該容器和該蓋中的至少之一形成入口孔，以允許太陽(yáng)輻射從其中通過(guò)；和 冷卻系統(tǒng)，用于促使至少一部分沿蓋的下側(cè)被收集的汽化的太陽(yáng)能吸收材料凝結(jié)。
2.權(quán)利要求I的接收器，還包括至少一個(gè)對(duì)流引發(fā)單元，被放置在或接近該容器內(nèi)部的底部。
3.權(quán)利要求2的接收器，其中該對(duì)流引發(fā)單元包括大體上圓錐形元件。
4.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該蓋的下側(cè)適合向該容器內(nèi)部反射照射在其上的太陽(yáng)輻射。
5.權(quán)利要求4的系統(tǒng)，其中該蓋的下側(cè)形成非成像的會(huì)聚器。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該會(huì)聚器，包括與被收集于其上的凝結(jié)的太陽(yáng)能吸收材料組合的該蓋的下側(cè)。
7.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，其中該蓋適合把至少一部分凝結(jié)的太陽(yáng)能吸收材料返還給該容器的內(nèi)部。
8.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，還包括用于關(guān)閉該入口孔的門(mén)，以降低從該接收器的熱能損耗，并阻止通過(guò)該孔的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。
9.權(quán)利要求I的系統(tǒng)，還包括跨越入口孔的空氣簾，以降低從該接收器的熱能損耗，并降低通過(guò)該孔的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。
10.一種捕獲太陽(yáng)能以用于發(fā)電的方法，該方法包括步驟 引導(dǎo)太陽(yáng)輻射通過(guò)接收器的入口孔，該入口孔由容器和被放置在該容器之上的蓋中的至少之一形成，該容器有其中有太陽(yáng)能吸收材料的暴露的內(nèi)部； 冷卻該蓋，使從液化的太陽(yáng)能吸收材料產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)；和 把至少一部分被凝結(jié)蒸汽返還給該容器的內(nèi)部。
11.權(quán)利要求10的方法，還包括把淀積在該蓋下側(cè)已固化的太陽(yáng)能吸收材料熔化的步 驟。
12.權(quán)利要求11的方法，其中該熔化步驟，由直接照射在已固化的材料上的太陽(yáng)輻射和反射離開(kāi)接收器中材料的上表面的太陽(yáng)輻射中的至少之一引起。
13.權(quán)利要求10的方法，還包括形成跨越入口孔的空氣簾的步驟，以降低從該接收器的熱能損耗，并降低通過(guò)該入口孔的質(zhì)量轉(zhuǎn)移。
14.權(quán)利要求10的方法，還包括使用被放置在或接近該容器內(nèi)部的底部的至少一個(gè)對(duì)流 引發(fā)單元，誘發(fā)該容器中相變材料的對(duì)流的步驟。
15.一種太陽(yáng)能接收器，包括 容器結(jié)構(gòu)，適合容納和大體上封閉熔化鹽，該容器結(jié)構(gòu)定義允許太陽(yáng)輻射從其中通過(guò)的入口孔；和 可沿豎直方向移動(dòng)的分隔板，被水平地放置在該容器結(jié)構(gòu)中，以便把該容器結(jié)構(gòu)分為上部和下部，該分隔板形成環(huán)形間隔空間，它允許熔化鹽在該容器的上部和下部之間流動(dòng)。
16.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，還包括用于關(guān)閉該入口孔的門(mén)。
17.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，還包括豎直運(yùn)動(dòng)致動(dòng)系統(tǒng)，用于控制該分隔板的豎直位置。
18.權(quán)利要求17的太陽(yáng)能接收器，還包括控制器，用于驅(qū)動(dòng)該致動(dòng)系統(tǒng)以便移動(dòng)該分隔板。
19.權(quán)利要求18的太陽(yáng)能接收器，其中該控制器移動(dòng)該分隔板，使當(dāng)太陽(yáng)能被添加，且從該分隔板熱的一側(cè)抽運(yùn)鹽，通過(guò)熱交換器，并回到分隔板冷的一側(cè)而抽出熱能時(shí)，使該分隔板熱的一側(cè)上的鹽大體上保持恒定溫度。
20.權(quán)利要求19的太陽(yáng)能接收器，其中該控制器移動(dòng)該分隔板，使該分隔板的位置，大體上與該容器結(jié)構(gòu)中被熱致分層為熱和冷的熔化鹽層之間的邊界重合。
21.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該分隔板包括抗腐蝕與蠕變的合金。
22.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該分隔板包括帶肋的鋼板。
23.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該分隔板包括保溫耐熔陶瓷層。
24.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該分隔板包括中空管狀結(jié)構(gòu)。
25.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該分隔板當(dāng)該接收器被熔化鹽充滿時(shí)，基本上是隨遇地漂浮的。
26.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該分隔板的上表面是有紋理的、被涂覆的和被氧化的中的至少之一，以增強(qiáng)太陽(yáng)能吸收率和降低鏡面反射率。
27.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該環(huán)形間隔空間的徑向尺寸被選擇，以便大體上防止分隔板與容器之間的機(jī)械結(jié)合。
28.權(quán)利要求15的太陽(yáng)能接收器，其中該環(huán)形間隔空間的徑向尺寸被選擇，使容器內(nèi)分隔板的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)鹽卷流排出和在分隔板的熱側(cè)上的混合。
29.一種儲(chǔ)存太陽(yáng)能的方法，該方法包括步驟 在保持熔化鹽的被覆蓋容器中接收太陽(yáng)能，由此加熱在該容器上部中的熔化鹽； 沿豎直方向移動(dòng)水平的分隔板，該分隔板把容器的上部與下部分開(kāi)，并留出環(huán)形間隔空間，供鹽在其中流動(dòng)，以便不斷地在該上部中的熔化鹽的平均溫度和該下部中的熔化鹽的平均溫度之間，至少保持最小的溫度差；和從該容器的上部中的熔化鹽中抽出熱量。
30.權(quán)利要求29的方法，其中的抽出熱量，包括從該容器的上部抽運(yùn)熱熔化鹽到熱交換器，又把較冷的熔化鹽從該熱交換器返還給該容器的下部。
31.權(quán)利要求29的方法，其中在該容器的上部和下部中熔化鹽的總體積，基本上被保持恒定。
32.權(quán)利要求29的方法，還包括有效地冷卻該容器的蓋的步驟。
33.權(quán)利要求32的方法，還包括使用從該有效地被冷卻的容器的蓋抽出的熱量，至少在動(dòng)力循環(huán)和脫鹽循環(huán)之一中使工作流體預(yù)熱。
34.權(quán)利要求32的方法，還包括使汽化的鹽在有效地被冷卻的蓋的下側(cè)凝結(jié)。
35.權(quán)利要求29的方法，還包括，根據(jù)通過(guò)該被覆蓋容器所定義的入口孔的太陽(yáng)能的強(qiáng)度，打開(kāi)和關(guān)閉該入口孔的門(mén)。
36.一種會(huì)聚的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，包括 基于地面的太陽(yáng)能接收器，適合容納把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱量的太陽(yáng)能吸收材料；和多個(gè)定日鏡，被配置成使照射的太陽(yáng)輻射直接地、沒(méi)有更多反射地、通過(guò)接收器的孔反射進(jìn)接收器的內(nèi)部。
37.權(quán)利要求36的系統(tǒng)，還包括太陽(yáng)能吸收材料，且其中該太陽(yáng)能吸收材料包括相變材料。
38.權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中該相變材料是半透明的。
39.權(quán)利要求37的系統(tǒng)，其中處于液體形式的相變材料包括熔化鹽。
40.權(quán)利要求39的系統(tǒng)，其中該熔化鹽選自氯化物鹽、氟化物鹽、碳酸鹽、亞硝酸鹽、以及它們的混合物組成的組。
41.權(quán)利要求40的系統(tǒng)，其中該熔化鹽是氯化物鹽，且該相變材料還包括氫氧化物，以便當(dāng)該熔化鹽與潮濕空氣發(fā)生接觸時(shí)，降低HCl的生成。
42.權(quán)利要求36的系統(tǒng)，其中該太陽(yáng)能吸收材料包括納米粒子混合物，以改善其太陽(yáng)輻射吸收特征。
43.權(quán)利要求36的系統(tǒng)，其中該定日鏡被定位在接收器的孔上方的標(biāo)高處并被定向，以便通過(guò)該孔的太陽(yáng)輻射主要地被引導(dǎo)到太陽(yáng)能吸收材料的表面。
44.權(quán)利要求43的系統(tǒng)，其中該定日鏡被安裝在山坡上。
45.權(quán)利要求36的系統(tǒng)，其中該接收器至少部分地被埋入地中。
46.權(quán)利要求36的系統(tǒng)，其中該接收器包括容器和被放置于其上的蓋。
47.權(quán)利要求46的系統(tǒng)，其中該定日鏡被放置在接收器下面的標(biāo)高處并被定向，以便通過(guò)該孔的太陽(yáng)輻射被引向該蓋的下側(cè)。
48.權(quán)利要求36的系統(tǒng)，其中該基于地面的接收器和定日鏡一起，被配置成有利于加熱太陽(yáng)能吸收材料到約600°C到至少約1000°C范圍內(nèi)的溫度。
49.一種太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括 太陽(yáng)能接收器，適合容納用于把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能的太陽(yáng)能吸收材料； 熱交換器，適合把來(lái)自液化的太陽(yáng)能吸收材料的熱能轉(zhuǎn)移到工作液體，用于產(chǎn)生機(jī)械能和電能中的至少之一；和 混合腔，適合使液化的太陽(yáng)能吸收材料與來(lái)自熱交換器出口的較冷太陽(yáng)能吸收材料混合，以便在傳送到熱交換器之前，降低該液化的太陽(yáng)能吸收材料的溫度。
50.權(quán)利要求49的系統(tǒng)，還包括與接收器流體連通的熱能儲(chǔ)存庫(kù)。
51.權(quán)利要求49的系統(tǒng)，還包括處在熱交換器和混合腔中間、并與熱交換器和混合腔流體連通的熱能儲(chǔ)存庫(kù)。
52.權(quán)利要求49的系統(tǒng)，其中該太陽(yáng)能接收器適合容納溫度在約600°C到至少約1000°C范圍內(nèi)的相變材料。
53.權(quán)利要求49的系統(tǒng)，還包括把工作流體的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的渦輪機(jī)。
54.權(quán)利要求49的系統(tǒng)，還包括由該渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。
55.一種使用會(huì)聚太陽(yáng)能電力系統(tǒng)產(chǎn)生能量的方法，該方法包括步驟 按單次反射引導(dǎo)太陽(yáng)輻射通過(guò)太陽(yáng)能接收器的孔進(jìn)入太陽(yáng)能接收器，以便把太陽(yáng)能會(huì)聚在接收器中，由此把接收器中包含的太陽(yáng)能吸收材料加熱到在約600°C到至少約1000°C范圍內(nèi)的溫度； 把熱能從被加熱的太陽(yáng)能吸收材料轉(zhuǎn)移到工作流體；和使用該工作流體產(chǎn)生機(jī)械能和電能中的至少之一。
56.權(quán)利要求55的方法，其中的熱能在超過(guò)約700°C的溫度上被轉(zhuǎn)移到工作流體。
57.權(quán)利要求56的方法，其中該工作流體包括空氣，而該能量產(chǎn)生步驟利用直接空氣布雷頓動(dòng)力循環(huán)。
58.權(quán)利要求57的方法，其中該布雷頓動(dòng)力循環(huán)不要求水冷。
59.權(quán)利要求55的方法，其中該熱能是在熱交換器中從被加熱的太陽(yáng)能吸收材料轉(zhuǎn)移到工作流體的。
60.權(quán)利要求59的方法，還包括使來(lái)自接收器的液化的太陽(yáng)能吸收材料，與來(lái)自熱交換器出口的較冷太陽(yáng)能吸收材料混合，以便在傳送到熱交換器之前，降低液化的太陽(yáng)能吸收材料的溫度。
全文摘要
會(huì)聚的太陽(yáng)能電力系統(tǒng)。用于會(huì)聚和儲(chǔ)存太陽(yáng)能的系統(tǒng)和方法被提供。供該系統(tǒng)和方法使用的太陽(yáng)能接收器，可以包含用于保持諸如相變材料的太陽(yáng)能吸收材料的容器，以及被放置在該容器之上的冷卻的蓋，用于使沿該蓋的下側(cè)被收集的汽化的相變材料凝結(jié)和收集。
文檔編號(hào)F24J2/04GK102792022SQ201080049955
公開(kāi)日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2010年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者A·H·斯洛克姆, A·T·帕克森, C·W·福斯博格, D·S·科德, J·布昂吉諾 申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院