CN102132108B - 太阳能接收器*** - Google Patents

Abstract

一种太阳能接收器(100)，其中包括沿着纵轴延伸有前端(110)和后端(108)的接收器壳体(102)；安装在前端并且在壳体里面突出的窗口(222)；在壳体和窗口之间定义的接收器舱室(223)，该接收器舱室具有使待加热的工作流体在其内部的工作流体入口(140)和工作流体出口(310)；以及用于给工作流体加热的太阳辐射吸收体(230)，该吸收***于接收器舱室之内并且至少围住一部分窗口，该太阳辐射吸收体是由沟槽(246)形成的并且是用有特性平均孔径的泡沫材料(例如，陶瓷或金属泡沫材料)制成的。每个沟槽在面对窗口的近端是敞开的、在吸收体里面沿径向延伸并且在封闭的远端用吸收体材料终结。

Description

太阳能接收器***

发明领域

本发明一般地涉及太阳能***，更具体地说涉及有太阳能接收器的太阳能***。

背景技术

涡轮普遍地用来生产电力。通常，工作流体(例如，空气、蒸汽或任何其它的气体)在供应给涡轮之前先被压缩和加热，其中工作流体膨胀，把灼热的压缩工作流体的一部分内能转换成机械运动，该机械运动随后通过使用发电机转变成电力。

在太阳能***中，技术上已知的一种用来在进入涡轮之前给工作流体加热的装置是太阳能接收器。这样的接收器利用照射到太阳能接收器里面的太阳辐射吸收体上的太阳辐射。工作流体被该吸收体加热，而后工作流体经由利用它产生电力的涡轮传递热量。此外，热交换器、化学反应或任何其它适当的装置或过程可能用来利用热的工作流体产生电力。

发明内容

依照本发明的一个方面，提供一种太阳能接收器，其中包括：

-沿着纵轴延伸有前端和后端的接收器壳体；

-配置成允许辐射通过的窗口，该窗口安装在前端并且向壳体里面突出；

-在壳体和窗口之间定义的接收器舱室，该接收器舱室有供待加热的工作流体进入的工作流体入口和供热的工作流体流出的工作流体出口；以及

-配置成吸收辐射并借此给工作流体加热的太阳辐射吸收体，该吸收***于接收器舱室内并且至少围住一部分窗口，该太阳辐射吸收体是与沟槽一起形成的并且是用有特性平均孔径的泡沫材料(例如，陶瓷的或金属的泡沫材料)制成的，其中每个沟槽：

о在面对窗口的近端是敞开的；

о在吸收体里面沿径向延伸；以及

о在封闭的远端以吸收体材料终结。因此，沟槽只部分地沿着径向方向延伸；一部分吸收***于每个沟槽的末梢部。

适合作为太阳辐射吸收体使用的泡沫材料允许太阳辐射从那里通过，给在其厚度范围内的部分加热。工作流体同样地进入该泡沫材料转移该泡沫材料吸收的能量。被泡沫材料吸收并因此可用于对工作流体传热的能量随着辐射进入泡沫材料的穿透深度减少。这能被表示成：

总吸收辐射＝A(1-e^-bx)

其中A是与***特性有关的常数，b是与泡沫材料结构有关的消光系数，x是通过该材料传送的距离。在实践中，这个等式的值当x大约为泡沫材料平均孔径的3倍的时候接近1，从而指出当辐射穿透到大约等于材料的三倍平均孔径的距离的时候，几乎是能吸收的最大辐射量。一旦辐射退出该材料，这个效应被“重新设定”，即，在照射第二块材料之时，x的值回到零，从而允许在第二块材料里面的补充吸收。

太阳辐射吸收体可能定义众多环状带，每个环状带包含众多沟槽。它可能进一步包含众多沿轴向安排的环状吸收体元件，每个吸收体元件包含一个或多个环状带部分。吸收体元件可能是与在其以轴线面对的侧面中形成的沟槽一起形成的，安排在单一环状带里面的所有的沟槽都是朝单一的轴线方向敞开的。每个元件可能包含两个环状带，每个环状带的沟槽与其它环状带的沟槽相比较朝相反的轴线方向敞开。每一条环状带中的沟槽可能沿轴向被安排成与其它环状带的沟槽之间的吸收体材料部分相邻。吸收体元件可能是这样安排的，以致其沟槽被安排成沿轴向毗连相邻吸收体元件的沟槽之间的吸收体材料部分。在每条环状带的沟槽之间的吸收体材料部分可能沿圆周与其它环状带的沟槽之间的吸收体材料部分重叠。

沟槽之间的吸收体材料部分可能构成面对窗口的波浪形轮廓。

粘结沟槽的每个吸收体材料区段的轴向厚度可能大于三倍或五倍平均孔径。

封闭每个沟槽远端的吸收体材料沿着径向方向可能有大于三倍或五倍平均孔径的厚度。

沟槽可能在与径向方向成垂直的平面的横截面中有实质上呈矩形的形状。该形状可能包含圆角。

每个沟槽的圆周长度可能小于沿圆周与其毗连的吸收体材料部分的圆周长度。

每个沟槽的径向长度可能大于封闭其远端的吸收体材料的径向长度。

太阳能接收器可能进一步包含安排在工作流体入口和接收器舱室之间的辐射屏蔽。辐射屏蔽可能配置成允许工作流体通过那里流动。

太阳能接收器可能被设计成促进来自工作流体入口的工作流体在进入吸收体之前环绕和沿着窗口流动。

依照本发明的另一个方面，提供一种太阳能接收器***，其中包括：

-上述的太阳能接收器；以及

-用来接受来自工作流体出口的工作流体并且利用它产生电力的涡轮。

依照本发明的进一步的方面，提供一种在太阳能接收器使用的太阳辐射吸收体，该太阳辐射吸收体配置成吸收辐射并借此给工作流体加热，太阳辐射吸收体是与沟槽一起形成的并且是用有特性平均孔径的泡沫材料制成的，每个沟槽：

-在面对辐射的近端是敞开的；

-在吸收体里面沿径向延伸；而且

-在封闭的远端以吸收体材料终结。

附图说明

本主题将从下面结合附图的详细描述被更全面地理解和领会，其中：

图1是太阳能接收器的透视图；

图2A和2B是在图1中举例说明的接收器的局部剖视图；

图3A是用于图1到2B举例说明的太阳能接收器的太阳吸收体的吸收体元件的透视图；

图3B是用于图1到2B举例说明的太阳能接收器的太阳能吸收体的吸收体元件的另一个范例的透视图；而

图4示意地举例说明图1到2B举例说明的太阳接收器的操作。

具体实施方法

在下面的描述中，将描述本主题的各种不同方面。就解释的目的而论，为了提供对本主题的透彻理解，陈述特定的配置和细节。然而，本主题可以在没有在此呈现的特定的细节的情况下实践，这对于熟悉这项技术的人也将是明显的。此外，为了不模糊该主题的描述，众所周知的特征可能被省略或简化。如图1所示，太阳能接收器100包含用不锈钢或任何其它适当的材料形成的接收器壳体102。壳体102可能被配置成通常呈圆筒形的主体部分104，该主体部分有中心线X(见图2A)并且是与在其后端的顶端部分108和在其前端的底部部分110一起形成的。壳体102可能是以任何适当的形式成形的。

如图2A和2B所示，其中图2A举例说明有窗口的完整无缺的太阳接收器100，而在图2B中为了举例说明围住窗口的元件，窗口未被展示，主体部分104借助任何适当的方法(例如，焊接)与顶端部分108结合，举例来说。主体部分104借助任何适当的方法(例如，通过用螺钉130把从主体部分104凸出的周边凸起126安装到从底部部分110凸出的周边凸起128上)与底部部分110结合在一起。O型圈136可能被安排在凸起126和128之间。提供O型圈136为的是保证相应的主体部分104与底部部分110的结合是密封的结合。

入口导管组件140的入口导管壳体138从顶端部分108凸出。入口导管142是由被部分地安排在入口导管壳体138里面的通常呈圆筒形的部分144形成的。通常中央的入口导管部分148被安排在接收器壳体102的主体部分104里面并且通过通常有角度的部分150与圆筒形部分144连接。入口导管142可能是用不锈钢或任何其它适当的材料制成的。

如同在图2A的入口中看到的那样，中央入口导管部分148在其底部部分定义以其倾斜表面178压在辐射屏蔽组件174的中央辐射屏蔽罩172之上的周边凸起部分170。凸起170可能是由不锈钢或任何其它适当的材料形成的。罩172可能是为通过辐射屏蔽组件174流动的高温工作流体的热绝缘准备的，这将在下文中参照图4进一步描述。罩172可能是由陶瓷或任何其它适当的材料形成的。罩172定义的脊180在由不锈钢或任何其它适当的材料形成的周边环形支撑182上就位。罩172在其中间部分190定义环形凹陷188。辐射屏蔽192坐在凹陷188里面并且可能是由任何适当的材料(例如，为经得起高温采用的陶瓷或金属)形成的。举例来说，为了允许工作流体流过，辐射屏蔽192可能是由管、钉或任何有孔结构形成的。

环形绝缘元件198可能是为围住周边凸起170和一部分罩172而提供的而且可能借助插在其中的螺钉200或任何其它适当的方法与周边凸起170和环形支撑182连接。

辐射屏蔽192可能是为了当允许工作流体从入口导管142经由辐射屏蔽192中的孔流到窗口222上的时候保护入口导管组件140使之免受经由窗口222进入接收器100的太阳辐射的损害而提供的。

请注意，辐射屏蔽192可能被用来保护入口导管组件140使之免受太阳辐射损害的任何其它适当的方法代替。

窗口222被安装在壳体102的前端，而且被安排成向内突出。窗口222被设计成允许太阳辐射照在它上面并且能穿透它，这将在下文中参照图4进一步描述。，举例来说，

接收器舱室233被限定在窗口222和壳体102之间。入口导管142的终止处构成接收器舱室233的工作流体入口，出口导管320(在下面描述)构成接收器舱室233的工作流体出口。窗口222可能是这样成形的，例如，作为旋转抛物面的一部分、作为双曲抛物面的一部分或作为任何适合定义流线型轮廓的几何结构，其中没有从一种几何形状到另一种几何形状的轮廓转变。流线型轮廓将沿着窗口222流动的工作流体的湍流减到最少并且将通过它进来的太阳辐射的反射损失减到最少。此外，流线型轮廓将在窗口222上由，例如，轮廓转变引起的拉伸应力减到最少，而且考虑到在其生产方面逐渐增加的精确性。

请注意窗口222可能是按任何适当的圆锥状或截头圆锥状结构或定义其中有从一种几何形状到另一种几何形状或任何其它适当的形式的轮廓转变的流线型轮廓的几何结构成形的，以便允许太阳辐射照射到它上面和通过那里流动的工作流体。窗口222可能是用能够经得起相对较高的温度和容许太阳辐射在其中的任何适当的材料形成的。举例来说，窗口222可能是用熔凝石英制成的。

窗口222可能是用任何适当的方法安装到壳体102上的。

太阳辐射吸收体230是至少环绕和沿着窗口222的一部分内表面232安排的。太阳辐射吸收体230可能是用允许太阳辐射和工作流体通过的任何适当的材料制成的。举例来说，吸收体230可能是用多孔材料制成的，借此定义其中的孔234(见图3A)。多孔材料可能是任何适当的材料，例如，包含定义其间的毛孔的陶瓷串网络的金属或陶瓷泡沫材料。举例来说，这样的材料能经得起相对较高的温度。

太阳辐射吸收体230可能包含众多太阳辐射吸收体元件235，这些轴向排列构成太阳辐射吸收体230。太阳辐射吸收体元件235是与凸起236一起形成的，如未依比例展示的图3A所示。凸起236优选与上层环状带243a中的上层凸起242和下层环状带243b中的下层凸起244一起形成。每个上层的和下层的凸起242、244的轴向和/或圆周厚度可能至少是构成吸收体的陶瓷泡沫材料的平均孔径的三倍或五倍。作为替代，该厚度可能与至少吸收95％、甚至至少吸收99％入射的太阳辐射所需的泡沫材料厚度有关或相等。

上层凸起242可能被摇晃欲倒地安排成与轴向的下层凸起244沿圆周重叠，因此定义在相邻的上层凸起242之间和在相邻的下层凸起244之间形成的沟槽246。这种安排导致每条环状带243a、243b的沟槽246沿着轴线方向与其它环状带的凸起242、244相邻。

沟槽246在其(面对窗口的)近端247a是敞开的而且是沿着轴线方向敞开的。它们沿径向朝其以吸收体230的密封材料248结束的远端247b延伸。以248a指出的径向厚度在长度方面可能等于构成吸收体的陶瓷泡沫材料的平均孔径的三倍。在更特别的范例中，径向厚度248a在长度方面可能等于组成吸收体的陶瓷泡沫材料的平均孔径的五倍。作为替代，该厚度可能与至少吸收95％入射的太阳辐射所需的泡沫材料的厚度有关或相等。沟槽246的径向长度可能大于密封材料248a的径向厚度248。

如图3A所示，当在垂直于径向方向的平面(即，轴环面)中看的时候，沟槽246有实质上矩形的横截面形状。该形状的拐角249可能是直角的或倒圆的。

为了形成围住窗口222的环形阵列250，吸收体元件235是沿着圆周排列的。作为替代，吸收体元件235可能是作为完整的环形阵列形成的，例如，形成完整的圆或环。

如图3B所示，吸收体元件235可能是与有面对窗口的波浪形轮廓253的凸起251一起形成的，从而定义面对交变轴线方向的沟槽246。

众多阵列250沿轴向排列，因此形成太阳辐射吸收体230。阵列可能是这样排列的，以致一个阵列的沟槽246被安排成沿轴向与凸起242、244(当吸收体元件235与图3A相符的时候)相邻或与轴向相邻阵列的波峰相邻(当吸收体元件与图3B相符的时候)。

沟槽246考虑到已经穿透吸收体230的一些材料进入的太阳辐射，例如，通过上层的或下层的凸起242、244离开吸收体材料而后照射并穿透太阳辐射吸收体230的不同部分。当被吸收的辐射的数量如上所述随着穿透深度逐渐减少之时，这个离开和再次穿透允许辐射被太阳辐射吸收体230的不同部分吸收。另外，沟槽246考虑到已经在下层环状带243b的(面对窗口的)近端260穿透的入射太阳辐射穿透相邻上层环状带243a的远端247b，借此增加凸起236可用于吸收辐射的区域。

请注意，虽然在图2A、2B、3A和3B举例说明的实施方案中吸收体元件235是与孔234一起形成的，但是为了使图2A、2B和3B的例证易于理解，只在图3A中展示孔234。

沟槽246和孔234一起定义允许工作流体从那里流过的吸收体流体沟槽。

吸收体元件235可能被镶嵌在用任何适当的绝缘材料制成的绝缘支撑元件280之内。

众多环形绝热元件290可能被安排在接收器100里面。绝热元件290可能是用陶瓷材料或任何其它适当的材料制成的而且是为避免太阳辐射散发到壳体102中而提供的。人们将领会到绝热元件290可能是以任何适当的方式配置的，例如，以单一元件的形式。

出口导管组件310的出口导管壳体300从顶端部分108凸出出来。出口导管320通常是由部分地安排在出口导管壳体300里面部分地安排在顶端部分108里面的圆筒形部分组成的。出口导管壳体300和出口导管320可能是用不锈钢或任何其它适当的材料制成的。出口导管组件310是为来自接收器100的工作流体流出准备的。

众多绝热元件330可能是环绕和沿着出口导管320的外表面332安排的而且是为避免因温度相对较高的工作流体流过出口导管320给接收器壳体顶端部分108加热准备的。绝热元件330可能是用陶瓷材料或任何其它适当的材料制成的。出口导管320与在绝缘元件198、吸收体230和绝缘元件290之间形成的邻近区域定义的出口液体舱室340流体连通。

出口导管壳体300可能包括从那里凸出的第一法兰340。第一法兰340可能借助***其中的螺钉346安装在从顶端部分108凸出的第二法兰344上。第一法兰340是作为与诸如涡轮之类的太阳能***部件(未展示)的接口提供的。

入口导管壳体138可能包括从那里凸出的第一法兰350。第一法兰350可能借助***其中的螺钉356安装到从顶端部分108凸出的第二法兰354上。第一法兰350是作为与诸如压缩机之类的太阳能***部件(未展示)的接口提供的。

请注意：出口和入口导管壳体300、138的第一法兰340、350可能被一个或多个用来与太阳能***部件接口的任何其它适当的元件代替。

如图4所示，举例来说，诸如空气之类的工作流体被引进接收器100的入口导管142。工作流体可能在压缩机(未展示)里面边压缩边流动。

工作流体从入口导管142经由辐射屏蔽192流到窗口222的内表面232上。在窗口222的底部部分380，工作流体膨胀到吸收体230之中。

请注意，由于工作流体流的表面区域从辐射屏蔽192到窗口222的顶端部分390逐渐减小，所以从入口导管142进入的工作流体在流进吸收体230之前经由辐射屏蔽192首先流到窗口222的内表面232。如图2A的插图所示，辐射屏蔽192的表面区域实质上大于由罩172的底部部分392和窗口222的顶端部分390之间的区域定义的表面区域。这个区域是用参考数字394指出的。表面区域的差异是用辐射屏蔽表面区域的半径396和表面区域394的半径398的差异举例说明的。因此，当工作流体流的表面区域从辐射屏蔽表面区域逐渐减少到表面区域394之时工作流体的速度必然逐渐增加，借此强迫工作流体沿着窗口222从其顶端部分390流向底部部分380。在底部部分380，工作流体的速度减少，因此允许工作流体膨胀到吸收体230之中。工作流体沿着窗口222最初的流动为由于允许太阳辐射从那里通过承受相对较高温度的窗口222的冷却做准备。

用参考数字400指出的太阳辐射通常在用太阳能***的聚能器402的聚能之后经由窗口222进入吸收体230。请注意：聚能器402未依比例展示。

太阳辐射400通过窗口222，其后迅速地穿透吸收体230的一些材料，例如，通过上层或下层的凸起242、244离开吸收体材料而后照射并穿透太阳辐射吸收体230的不同部分。如上所述，因为被吸收的辐射的数量随着穿透深度逐渐减少，所以这个离开和再此穿透允许辐射被太阳辐射吸收体230的不同部分吸收。此外，太阳辐射400经由孔234穿透凸起236。

此外，已经从下层环状带243b的近端260穿透的入射太阳辐射穿透凸起236到上层环状带243a的远端247b，借此允许辐射被凸起236的可观部分吸收。

吸收在凸起236内的太阳辐射被作为热散发给在吸收体230里面流动的工作流体，借此给工作流体加热。

热的工作流体从吸收体230流到出口流体室340，然后经由出口导管320离开接收器100。其后，热的工作流体可能被引进涡轮(未展示)，以便利用它产生电能。

人们将领会到太阳能接收器100可能被并入太阳能光热***，例如，同轴追踪太阳能热***或离轴追踪太阳能热***。同轴追踪太阳能***技术上被称为太阳能***，其中靶(例如，太阳能接收器)始终保持在在一个或多个太阳能反射镜和太阳之间形成的中心线上，所以靶的位置不断地改变以便跟随太阳运动。同轴追踪太阳能***的范例包括抛物面碟形反射镜/聚能器和菲涅尔透镜聚能器。在离轴追踪太阳能***中，靶(例如，太阳能接收器)可能是静止的或移动的，但是通常不保持在在一个或多个反射镜和太阳之间形成的中心线上。离轴追踪太阳能***的范例包括中央太阳接收器，例如，太阳能塔。

熟悉这项技术的人将领会到本发明不受在此已经具体地展示和描述的东西限制。本发明的范围包括上文描述的各种不同的特征和对于熟悉这项技术的人在阅读这份说明书之后将会发生的和在现有技术中没有的变化和修改的组合和亚组合。

Claims (22)

1.一种太阳能接收器，其中包括：

沿着纵轴延伸有前端和后端的接收器壳体；

配置成允许辐射从那里通过的窗口，所述的窗口安装在所述的前端和在所述的壳体里面突出；

在壳体和窗口之间定义的接收器舱室，所述的接收器舱室有供待加热的工作流体进入的工作流体入口和供热的工作流体通过那里流出的工作流体出口；以及

为吸收所述的辐射并借此加热所述的工作流体配置的太阳辐射吸收体，所述的吸收***于所述的接收器舱室之内并且至少围住一部分所述的窗口，所述的太阳辐射吸收体是与沟槽一起成形的并且是用有特性平均孔径的泡沫材料制成的，所述的沟槽每一个：

在面对窗口的近端是敞开的；

沿径向在所述的吸收体里面延伸；

并且在封闭的远端以所述的吸收体材料终结，

以及其中所述太阳能辐射吸收体包括一个或多个环状带，所述环状带被轴向排布以构成所述太阳辐射吸收体，并且其中所述沟槽沿径向在所述一个或多个环状带里面延伸。

2.根据权利要求1的太阳能接收器，其中所述的太阳辐射吸收体包含众多沿轴向安排的环状吸收体元件，每个吸收体元件包含一个或多个所述环状带的组成部分。

3.根据权利要求2的太阳能接收器，其中所述的吸收体元件是与在其以轴线面对的侧面中形成的所述沟槽一起形成的，所有安排在单一环状带内的沟槽都是朝单一的轴线方向敞开的。

4.根据权利要求3的太阳能接收器，其中每一个所述的环状吸收体元件都包含两条所述的环状带，每条环状带的沟槽是朝与另一条环状带的沟槽相反的轴线方向敞开的。

5.根据权利要求4的太阳能接收器，其中每一条环状带的沟槽都沿轴线安排在其它环状带的沟槽之间与吸收体材料部分相邻。

6.根据权利要求4和5中任何一项的太阳能接收器，其中吸收体元件是这样安排，以致其沟槽被安排成沿轴向与相邻吸收体元件的沟槽之间的吸收体材料部分相邻。

7.根据权利要求4中的太阳能接收器，其中在每条环状带的沟槽之间的吸收体材料部分沿圆周与其它环状带的沟槽之间的吸收体材料部分重叠。

8.根据权利要求1中的太阳能接收器，其中沟槽之间的吸收体材料部分构成面对窗口的波浪形轮廓。

9.根据权利要求1中的太阳能接收器，其中粘结所述沟槽的每个吸收体材料区段的轴向厚度大于所述平均孔径的三倍。

10.根据权利要求8的太阳能接收器，其中粘结所述沟槽的每个吸收体材料区段的轴向厚度大于所述平均孔径的五倍。

11.根据权利要求1中的太阳能接收器，其中封闭每个沟槽远端的吸收体材料沿着径向方向有大于三倍所述平均孔径的厚度。

12.根据权利要求11的太阳能接收器，其中封闭每个沟槽的远端的吸收体材料沿着径向方向有大于五倍所述平均孔径的厚度。

13.根据权利要求1中的太阳能接收器，其中所述的沟槽在与径向方向垂直的平面的横截面中有实质上呈矩形的形状。

14.根据权利要求13的太阳能接收器，其中所述的形状包含圆弧形拐角。

15.根据权利要求1中的太阳能接收器，其中每个沟槽的圆周长度小于沿圆周与它相邻的吸收体材料部分的圆周长度。

16.根据权利要求1中的太阳能接收器，其中每个沟槽的径向长度大于封闭其远端的吸收体材料的径向长度。

17.根据权利要求1中的太阳能接收器，进一步包括安排在所述的工作流体入口和所述的接收器舱室之间的辐射屏蔽。

18.根据权利要求17的太阳能接收器，其中所述的辐射屏蔽配置成允许工作流体通过那里流动。

19.根据权利要求1中的太阳能接收器，被设计成促进来自所述的工作流体入口的工作流体在流进所述的吸收体之前环绕并沿着所述窗口流动。

20.根据权利要求1中的太阳能接收器，其中所述的泡沫材料选自由陶瓷泡沫材料和金属泡沫材料所组成的组中。

21.一种太阳能接收器***，其中包括：

-根据权利要求1中的太阳能接收器；

-用来接受来自所述的工作流体出口的工作流体并且利用它发电的涡轮。

22.一种用于太阳能接收器的太阳辐射吸收体，该太阳辐射吸收体是为吸收辐射并借此加热工作流体而配置的，所述的太阳辐射吸收体是与沟槽一起形成的而且是用有特性平均孔径的泡沫材料制成的，每个所述的沟槽：

-在面对辐射的近端是敞开的；

-在所述的吸收体里面沿径向延伸；以及

-在被封闭的远端以所述的吸收体材料终结，

以及其中所述太阳能辐射吸收体包括一个或多个环状带，所述环状带被轴向排布以构成所述太阳辐射吸收体，并且其中所述沟槽沿径向在所述一个或多个环状带里面延伸。

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