用于太陽熱能設(shè)備的接收器和包括所述接收器的太陽熱能設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太陽能接收器，該接收器與中央塔式接收器相比具有更高的產(chǎn)出。所述接收器包括多個吸收器管道(2)，用于從光導器(8)吸收入射能量，光導器(8)適于在太陽能接收器聚光焦點(11)處捕獲太陽輻射，吸收器管道(2)被連續(xù)地并且平行地布置在橫向于吸收器管道(2)的縱向軸線的方向上的相鄰位置處，所述管道包含循環(huán)的傳熱流體。所述縱向軸線被包含在至少兩個平面內(nèi)，定義了以交替方式并且部分重疊地布置的至少兩排(3，6)吸收器管道(2)。所述接收器還包括處于真空條件下的容器(4，5)，以用于封裝吸收器管道(2)并減少對流損失。
【專利說明】用于太陽熱能設(shè)備的接收器和包括所述接收器的太陽熱能設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]盡管涉及用于蘭金循環(huán)的直接蒸汽生產(chǎn)設(shè)備，或根據(jù)布雷頓循環(huán)或斯特林循環(huán)的空氣或氣體加熱設(shè)備，并且還涉及使用傳熱流體以在隨后的換熱器中生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備，但本發(fā)明的目的包含在太陽熱能技術(shù)范圍內(nèi)，尤其是太陽熱能發(fā)電廠領(lǐng)域。
[0002]本發(fā)明的目的涉及一種用于太陽熱能設(shè)備的接收器，以及包括所述接收器的太陽熱能設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0003]太陽熱能技術(shù)的基本原理基于聚集太陽輻射以加熱傳熱流體并從而產(chǎn)生電的概念。
[0004]太陽能的獲取及其聚集是發(fā)展太陽熱能設(shè)備的主要挑戰(zhàn)?；旧希嬖趦煞N類型的聚光技術(shù):點聚光或線聚光。線聚光更易于安裝，因為存在更少的自由度，然而聚光系數(shù)低并且因此溫度可能低于點聚光。
[0005]焦點聚光器領(lǐng)域存在兩種類型的聚光器，拋物線盤式(Parabolic Disc)聚光器或中心塔式(Central Tower)聚光器,并且在線聚光技術(shù)中，拋物線圓柱形聚光器(ParabolicCylindrical Concentrator (PCC))是最古老并且發(fā)展最好的聚光系統(tǒng),而目前,各種更新版本不斷涌現(xiàn)，例如線性菲涅耳聚光器(Linear Fresnel Collectors (LFC))。
[0006]中央塔式接收器技術(shù)不如拋物線圓柱形聚光器發(fā)展的成熟，但是它具有高生產(chǎn)量和低成本的潛力。該技術(shù)自二十世紀八十年代即已經(jīng)安裝了原型機。第一個商業(yè)設(shè)備是PS10，其已經(jīng)以優(yōu)異的性能運轉(zhuǎn)了 5年時間。當前，在成本和性能方面已經(jīng)做出了相當多的改進，使得該技術(shù)在中期極其具有競爭力。
[0007]中央塔式接收器技術(shù)的操作基于使用多個雙軸跟蹤反射鏡或定日鏡，它們捕獲直射陽光并將其聚集到位于塔頂?shù)慕邮掌髦小Ｔ谠摻邮掌鲀?nèi)部循環(huán)的流體被加熱并用在布雷頓、蘭金或斯特林循環(huán)中，以產(chǎn)生電。也可以儲存熱能以在沒有陽光的時候(夜晚或多云的日子里的過渡時期內(nèi))減少用電。
[0008]專利文件ES8503114、ES8506393和W0200812390描述了這種中央塔式接收器類型的太陽熱能設(shè)備的一些例子。
[0009]中央塔式接收器設(shè)備具有許多缺陷，其中的一些缺點如下:
[0010]-由于需要將接收器安裝在塔頂而導致的高安裝成本；
[0011]-由于涉及太陽光線與定日鏡的光軸不平行這一事實的多個光學和幾何效應(yīng)導致性能降低，因此，設(shè)備的效率被所謂的余弦效應(yīng)妨害，其可以通過增加塔的高度來減輕，但會因而增加前文所述的安裝成本；
[0012]-難以提供基本均勻的輻照分布；和
[0013]-由于大氣透過率以及接收器溢流導致的損失的事實，定日鏡不能被設(shè)置得過于遠離塔，因此場地中的定日鏡的數(shù)目減少，在接收器溢流的情形中，由于太過遠離塔的定日鏡在接收器中產(chǎn)生過寬的斑點(patch)的事實，因此稍微地降低了能量集中度。
[0014]此外，前述文獻還描述了基于管道構(gòu)造的塔式接收器，其中，管道中填充有被入射的太陽光加熱的傳熱流體。
[0015]本發(fā)明的目的是消除上述缺點并提供一種具有改進的性能和產(chǎn)出率的用于太陽熱能設(shè)備的接收器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的初步目的是提供一種用于太陽熱能設(shè)備的接收器，其中，所述接收器包括在內(nèi)部包含傳熱流體的多個吸收器管道，傳熱流體通過吸收器管道循環(huán)。吸收器管道適于以大致垂直于其縱向軸線的方式接受輻射。吸收器管道根據(jù)一個或多種模塊布置，所述模塊包括在橫向于所述縱向軸線的方向上的相鄰位置處連續(xù)地布置的多個吸收器管道，其中，每個模塊的吸收器管道的縱向軸線被包含在至少兩個平面中，因此特定的吸收器管道的縱向軸線與緊挨著它相鄰的吸收器管道的縱向軸線不被包含在相同的平面內(nèi)。前面的描述等同于以交替的方式并且在由所述縱向軸線定義的平面的法線方向上部分重疊的方式將吸收器管道布置成至少兩排，以確保基本上所有入射輻射落到吸收器管道中的一個上。
[0017]優(yōu)選地為具有圓形截面的圓柱形的吸收器管道，被優(yōu)選地以垂直的方式布置，以避免由于其自身重量和傳熱流體的重量而導致的彎曲變形。此外，接收器可包括收集器管道，所有吸收器管道都被連接到所述收集器管道，無論是上部還是下部，以收集已經(jīng)在所有吸收器管道中被加熱的傳熱流體，從而將所述傳熱流體引導至換熱器或直接引導至渦輪機。
[0018]每一個吸收器管道將優(yōu)選地被固定至其相鄰的吸收器管道以防止它們分離并使得入射輻射在吸收器管道之間逃逸并未能施加到所述吸收器管道上。連接的例子為夾具或焊接。
[0019]吸收器管道優(yōu)選地由鋼或具有適當傳導性和抗耐性的任意材料制成。
[0020]吸收器管道優(yōu)選地被封裝在處于真空條件下的透明的容器(優(yōu)選地由玻璃制成)中，以消除對流損失。適于本發(fā)明的目的的真空低于10_7托。根據(jù)一個實施例，至少一個吸收器管道被容納在至少一個所述容器中。在這種情況下，兩排吸收器管道是優(yōu)選的選擇。根據(jù)另一實施例，具有多個這種容器，每個容器適于容納一個吸收器管道。根據(jù)該第二實施例，容器由與吸收器管道同軸的管道構(gòu)成，并且吸收器管道被布置的排的數(shù)目、吸收器管道的直徑和容器的直徑以下述方式相關(guān):它們連續(xù)地確保在入射輻射垂直地施加在管道的表面上和在相對于所述垂直成某些偏斜角的情況下，入射輻射施加在吸收器管道中的任一個上，即，輻射不會傳送到與吸收器管道相對的半空間(sem1-space)而不落到任一吸收器管道上。吸收器管道排的優(yōu)選數(shù)目為三排。
[0021]在優(yōu)選實施例中，吸收器管道覆蓋有吸收劑涂層，該涂層能夠承受550°C以上的溫度。通過舉例的方式，處于真空條件下的這些管道可被覆蓋TSSS類型的吸收劑涂層(其代表“厚度敏感光譜選擇性涂層(Thickness Sensitive Spectrally Selectivecoatings)”)，該涂層具有高吸收率(95%)和低發(fā)射率(8 %)，而不處于真空條件下的管道可覆蓋有涂料或TISS類型的涂層(其代表“厚度不敏感光譜選擇性涂層(ThicknessInsensitive Spectrally Selective coatings)，，)。[0022]接收器還可以包括分色反射器，該分色反射器對于太陽光譜比對于吸收器管道(表面溫度高達700°C )的發(fā)射光譜基本上更加透明，使得太陽輻射能夠大部分地穿過反射器，施加在吸收器管道上以加熱它們，例如，加熱至約700°C，此外，溫度高達700°C的管道發(fā)射的輻射大部分可以被分色反射器反射回管道，從而提高吸收性能。
[0023]設(shè)有上文所述的那種接收器的太陽能設(shè)備構(gòu)成了本發(fā)明的第二目的。
[0024]本發(fā)明中的接收器適于在所述設(shè)備中起作用，所述設(shè)備包括太陽能聚光收集器，該收集器設(shè)有焦點和用于在兩條軸線上進行追蹤的裝置，所述收集器在類型上可以多種多樣:尤其是它們可以同時是傳統(tǒng)類型(拋物面收集器或具有菲涅耳透鏡)和高級類型，所述高級類型使用阿尼特(anidolic)光學器件并且適于在無余弦效應(yīng)的情況下直接追蹤太陽。
[0025]太陽能設(shè)備還可包括各個柔性光導器，所述光導器適于在第一端部收集在每個焦點處的輻射并在盡可能無能量損失的情況下將所述輻射傳送至接收器，優(yōu)選地使輻射大致沿法線方向施加到吸收器管道的表面。光導器將優(yōu)選地使輻射相對于管道的縱向軸線從相對的位置施加在吸收器管道上，以防止吸收器管道上的熱彈性應(yīng)力。在這種情況下，交替地布置成至少兩排的管道具有附加的優(yōu)點，即從管道的一側(cè)施加的輻射不會傳送至相對側(cè)，在相對側(cè)它可能損壞光導器。
[0026]所使用的優(yōu)選的光導器具有高數(shù)值孔徑。特別地，數(shù)值孔徑將優(yōu)選地大于0.48。PCF類型的光導器在這種情況下是特別優(yōu)選的。
[0027]為了獲得增加的輻射，設(shè)備可優(yōu)選地包括透鏡以將至少一組光導器的輻射組合到至少一個組合光導器中。組合光導器也可以被組合，等等。
[0028]本發(fā)明中的設(shè)備還將優(yōu)選地包括接收器外殼，以保持用于光導器的接收器。這種中心塔式接收器設(shè)備配置的優(yōu)點在于，接收器位于基本上被設(shè)置在地面水平的結(jié)構(gòu)中，并且不在塔的頂部，從而節(jié)省了成本并簡化了安裝。
[0029]本發(fā)明的太陽熱能設(shè)備可在根據(jù)已知技術(shù)中的任一種技術(shù)中運用。通過這種方式，接收器管道中的傳熱流體可以是空氣(如果該設(shè)備適于用在布雷頓循環(huán)中)；或水(該設(shè)備適于用在蘭金循環(huán)中)；或氦或氫(該設(shè)備適于用在斯特林循環(huán)中)；以及鹽(其中該設(shè)備配有用于在鹽與水之間交換熱量的換熱器并從而作為蘭金循環(huán)操作)。
[0030]本發(fā)明的設(shè)備還可以包括存儲裝置，用于臨時存儲來自傳熱流體的、尚未被轉(zhuǎn)化為電的能量?；谠O(shè)備的類型，存儲裝置可以是:熱空氣(在布雷頓循環(huán)的情況下)、飽和壓縮蒸汽(在使用水的蘭金系統(tǒng)的情況下)，或高溫鹽(在使用鹽的蘭金循環(huán)的情況下)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為補充說明書并更好地理解本發(fā)明的特性，根據(jù)本發(fā)明的實際的實施方式的優(yōu)選例子提供了一組附圖，其構(gòu)成該說明書的整體部分，并且僅用于解釋而非限定，其中:
[0032]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的太陽熱能設(shè)備的示意圖。
[0033]圖2示出了接收器的第二實施例的俯視示意圖，其包括處于真空條件下以容納多個吸收器管道中的每一個管道的第一容器。
[0034]圖3示出了圖3中的實施例的俯視示意圖，其額外地包括分色反射器。
[0035]圖4示出了接收器的第三實施例的俯視示意圖，其包括處于真空條件下以便每個都容納一吸收器管道的容器。
[0036]圖5示出了圖5中的實施例的俯視示意圖，其也包括分色反射器。
【具體實施方式】
[0037]以下提供本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述，并以附圖1-5為補充。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的太陽熱能設(shè)備如圖1所示，并且包括聚光的太陽能收集器(11)，該收集器設(shè)有焦點(未示出)和在兩個軸線上的追蹤裝置(未示出)。該設(shè)備另外包括接收器(I)，該接收器(I)進而包括多個吸收器管道(2)(見圖2至6)，吸收器管道(2)在它們的內(nèi)部包含傳熱流體，傳熱流體可通過所述吸收器管道(2)的內(nèi)部循環(huán)。
[0039]繼續(xù)參見圖2至5，吸收器管道(2)是具有圓形橫截面的圓柱形并且按照一種或多種模塊(module)垂直地布置，包括在橫向于縱軸方向的方向上在相鄰位置連續(xù)地布置的多個吸收器管道(2)，每個模塊的吸收器管道(2)的縱軸被包含在至少兩個平面中，從而特定的吸收器管道(2)的縱軸與緊挨著的相鄰的吸收器管道(2)的縱軸不包含在相同的平面內(nèi)。前面的描述等同于將吸收器管道(2)以交替的方式布置成至少兩排(3，6)，并且在由縱軸定義的平面的法線方向上部分地重合，以確保所有的入射輻射基本上施加在吸收器管道
(2)的其中一個上。
[0040]吸收器管道(2)由鋼制造或由具有適當?shù)膫鲗院涂鼓托缘牟牧现瞥桑⒈环庋b在處于10_7托的真空條件下的玻璃容器(4，5)中。根據(jù)第一實施例，一個或多個這樣的第一容器(4)中的每一個都容納有多個吸收器管道(2)，其中吸收器管道(2)被布置成兩個第一排(3)。根據(jù)第二實施例，所述容器(5)為第二管狀容器(5)并且與吸收器管道(2)同軸，其中每個吸收器管道(2)被容納在第二容器(5)中。吸收器管道(2)被布置成三個第二排⑶。
[0041]接收器(I)還包括分色反射器(7)，使得太陽輻射可大部分地穿過所述分色反射器(7)并施加在吸收器管道(2)上以加熱它們，并且由吸收器管道(2)發(fā)出的輻射可以被分色反射器(7)大部分地反射至所述吸收器管道(2)，從而提高它們的吸收性能。
[0042]太陽能設(shè)備還包括各個柔性光導器(8)，光導器(8)適于在一個端部(未示出)處收集聚光元件的每個管道中的輻射，并適于以最小可能的能量損失將所述輻射傳遞至接收器(I)，使所述輻射沿所述吸收器管道(2)的表面上的大致法線方向通過與第一端部相對的第二端部(12)施加到吸收器管道(2)上。所述光導器(8)使輻射相對于吸收器管道(2)的縱軸從相對的位置施加到吸收器管道(2)上。
[0043]所使用的光導器(8)具有高數(shù)值孔徑，尤其是PCF類型的那種。
[0044]為了獲得更高的輻射度，所述設(shè)備包括透鏡(14)，以用于將至少一組光導器(8)的輻射組合到至少一個組合光導器(15)中。此外，組合光導器(15)等也可以被組合。
[0045]本發(fā)明的設(shè)備還包括用于接收器的外殼(未示出)，該外殼容納用于光導器(8)和/或如果合適，用于組合光導器(15)的接收器(I)，其中，接收器(I)被主要地設(shè)置在地面上。
[0046]該設(shè)備還包括存儲裝置(16)，以臨時地存儲來自傳熱流體的、尚未被轉(zhuǎn)化為電的能量。某些光導器(8，15)可以被引導至存儲裝置(16)以加熱工作流體，或來自接收器(I)的所述流體的一部分可以被存儲以供之后使用。[0047]基于設(shè)備的類型，存儲裝置(16)可以是:
[0048]-熱空氣/氣體罐，在來自吸收器管道(2)的傳熱流體為空氣或氣體的情況下，其中所述空氣或氣體根據(jù)布雷頓循環(huán)或斯特林循環(huán)被供給至燃氣輪機(未示出)；
[0049]-壓縮飽和水蒸汽罐，在來自吸收器管道(2)的傳熱流體為是水，并且根據(jù)蘭金循環(huán)在所述水被轉(zhuǎn)化為蒸汽時向蒸汽輪機(未示出)供給的情況下，或者在傳熱流體是通過換熱器(未示出)加熱水以用于相同目的的液體鹽的情況下；
[0050]-高溫鹽，在傳熱流體是用于蘭金循環(huán)的鹽的情況下。
【權(quán)利要求】
1.一種用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，包括多個吸收器管道(2)以從施加在所述吸收器管道(2)上的太陽輻射吸收能量，所述多個吸收器管道(2)根據(jù)一個或多個模塊布置，所述模塊包括被連續(xù)地并且平行地布置在橫向于吸收器管道(2)的縱向軸線的方向上的相鄰位置處的多個所述吸收器管道(2)，其中所述吸收器管道(2)在其內(nèi)部包括傳熱流體，傳熱流體能夠在所述吸收器管道(2)的內(nèi)部循環(huán)，其中，每個模塊的吸收器管道的縱向軸線被包含在至少兩個平面內(nèi)，從而特定的吸收器管道(2)的縱向軸線與緊鄰的吸收器管道(2)的縱向軸線不包含在相同的平面內(nèi)，從而定義了至少兩排(3，6)吸收器管道(2)，所述至少兩排(3，6)吸收器管道(2)交替地布置并且在由吸收器管道(2)的縱向軸線定義的所述平面的法線方向上部分地重疊，使得基本上全部入射輻射施加在吸收器管道(2)中的任意吸收器管道上，其特征在于，吸收器管道(2)被包括在處于真空條件下的透明的容器(4，5)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，其特征在于，至少包括處于真空條件下、被布置成容納至少多個吸收器管道(2)的第一容器(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，其特征在于，包括兩個第一排⑶吸收器管道⑵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，其特征在于，至少一個吸收器管道(2)被封裝在處于真空條件下的單獨的第二容器(5)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，其特征在于，所述第二容器(5)是管狀的、由玻璃制成、具有圓形截面、與相應(yīng)的吸收器管道(2)同軸。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，其特征在于，吸收器管道⑵的直徑、容器(4，5)的截面尺寸和吸收器管道(2)的排(3，6)的數(shù)目以如下方式相關(guān)聯(lián):基本上全部入射輻射落到任意吸收器管道(2)上，從而所述輻射不會傳送到與所述吸收器管道(2)相對的半空間并因此未能施加到任一吸收器管道上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4或6所述的用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，其特征在于，吸收器管道⑵的排(3，6)的數(shù)目為三。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽熱能設(shè)備的接收器(I)，其特征在于，還包括至少一個分色反射器(7)，該分色反射器(7)對于太陽光譜比對于吸收器管道(2)的發(fā)射光譜基本上更加透明，使得太陽輻射能夠更大程度地穿過分色反射器(7)并施加在吸收器管道(2)上以加熱所述吸收器管道(2)，此外，由吸收器管道(2)發(fā)出的輻射能夠被分色反射器(7)反射回吸收器管道(2)，從而提高吸收性能。
9.一種太陽熱能設(shè)備，包括至少一個具有兩個焦點的太陽能聚集收集器，該收集器用于會聚太陽輻射到所述焦點，其特征在于，所述設(shè)備還包括權(quán)利要求1-8中任一項所述的接收器(I)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備還包括各個柔性光導器(8)，所述光導器(8)在一個端部適于在每個焦點處收集輻射并將所述輻射朝向接收器(I)傳送，使所述輻射施加在接收器(I)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，光導器(8)適于以大致垂直于吸收器管道(2)的外表面的方式使輻射施加在接收器的吸收器管道(2)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，光導器(8)適于相對于吸收器管道(2)的縱向軸線從相對的位置使輻射施加在吸收器管道(2)上，以避免吸收器管道(2)中的熱彈性應(yīng)力。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，光導器(8)具有大于0.48的數(shù)值孔徑。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或13所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，還包括透鏡(14)，以將至少一組光導器(8)的輻射組合到至少一個組合光導器(15)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，接收器(I)適于根據(jù)從下列循環(huán)中選出的至少一種循環(huán)將能量從傳熱流體轉(zhuǎn)化為電: 布雷頓循環(huán) 蘭金循環(huán)；和 斯特林循環(huán)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，還包括存儲裝置(16)，以臨時地存儲來自傳熱流體的、尚未被轉(zhuǎn)化為電的能量。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，存儲裝置(16)至少從下列裝置中選擇: -熱空氣/氣體罐，用于 存儲空氣或氣體形式的傳熱流體，所述空氣或氣體根據(jù)布雷頓循環(huán)或斯特林循環(huán)供給燃氣輪機； -壓縮飽和水蒸汽罐，在吸收器管道中的傳熱流體為水，以便一旦所述水被轉(zhuǎn)化為蒸汽則根據(jù)蘭金循環(huán)被供給蒸汽輪機的情況下，或者在傳熱流體是用于通過換熱器加熱水以用于相同目的的液體鹽的情況下； -高溫鹽，在傳熱流體是蘭金循環(huán)中采用的鹽的情況下。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，光導器(8)的至少一部分適于加熱儲存在存儲裝置中的傳熱流體。
19.根據(jù)權(quán)利要求10或14所述的太陽熱能設(shè)備，其特征在于，還包括接收器外殼，以容納接收器(I)，其中，光導器到達所述外殼(8，15)，除此之外，接收器(I)被大致設(shè)置在外殼內(nèi)的底面上。
【文檔編號】F24J2/24GK103703325SQ201280033306
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2012年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月5日
【發(fā)明者】胡安·帕布洛·努內(nèi)斯布特魯, 曼努埃爾·格拉斯特里拉 申請人:阿文戈亞太陽能新技術(shù)公司