CN106030218A - 用于太阳能收集器的线性接收器 - Google Patents

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CN106030218A CN201580003890.4A CN201580003890A CN106030218A CN 106030218 A CN106030218 A CN 106030218A CN 201580003890 A CN201580003890 A CN 201580003890A CN 106030218 A CN106030218 A CN 106030218A
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大卫·怀特
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Abstract

本文中描述了用于聚集太阳能收集应用的线性接收器。例如，提供了线性接收器，该线性接收器包括位于线性太阳能辐射吸收元件的内部体积内的体积位移元件。该体积位移元件提供了例如该吸收元件和热传递流体之间的增强的热传递特征、与将该线性接收器的位置维持在用于吸收聚集的太阳能辐射的最佳位置相关联的效率提高和/或将该线性接收器从冻结事件恢复的能力。还提供了用于制造线性接收器的方法、用于收集聚集的太阳能辐射的方法、用于将线性接收器从冻结事件恢复的方法、用于提高总体接收器效率的方法(诸如通过减少该接收器元件的弯曲/下垂)以及用于降低该吸收器元件的周向温度分布的方法。

Description

用于太阳能收集器的线性接收器
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年1月6日提交的申请号为61/924,034的美国临时专利申请的优先权权益，在此通过引用将该美国临时专利申请的整体并入。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是在由美国能源部授予的DE-FC36-08GO18034号奖项下通过政府支持做出的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本发明属于太阳能热发电领域。本发明大体上涉及一种用于聚集太阳能收集***的线性接收器。
背景技术
用于线性聚集太阳能热收集***的太阳能接收器一般包括吸收接收管，热传递流体在该管中流动，该吸收接收管容纳在透明玻璃套管内以保护吸收接收管并减少从吸收接收管损失的热量。已经采用了各种技术来增加用于线性聚集太阳能热发电***的太阳能接收器的效率。例如，可以在玻璃套管与接收管之间引入真空以使传导热损失最小化。此外，可以在玻璃套管上放置抗反射涂层以使传输到吸收接收管的太阳能辐射最大化。而且，在接收管自身上的吸收涂层可以使光吸收最大化并减少辐射损失。
用于提高效率的其他技术包括使用包括透明玻璃接收管的太阳能接收器以及采用在接收管内的光吸收器来促进太阳能辐射转换成热能。例如，公开号为US 2013/0319501的美国专利申请描述了在热传递流体内直接包括光学吸收添加剂。类似地，公开号为US2009/0293866的美国专利申请描述了放置具有用于接收管内的热传递流体的内部流道的吸收***件。
已经应用其他技术来增加太阳能接收器的效率，诸如通过在常规接收管周围填满绝缘材料，或者通过在玻璃套管与涂覆的接收管之间的区域内放置绝缘材料或分隔器来使对流损失最小化，如在例如公开号为US 2013/0276775的美国专利申请中所描述的。
对于竖直地对准的接收管，诸如在太阳能电力塔配置中，热传递流体的流动呈现出挑战，因为热传递流体必须最终返回到地面，从而使得需要向上的流动通道和向下的流动通道两者。公开号为US 2013/0220310的美国专利申请通过提供具有同心管模块的太阳能接收器克服了这一障碍，其中热传递流体在外环形通道中以向上的方向流动同时从接收管的壁吸收热量，并在内通道中返回到地面。
发明内容
本发明提供了例如具有各种增强的用于聚集太阳能收集器的线性接收器。本发明的方面涉及在线性太阳能辐射吸收元件的内部体积内并入体积位移(volumedisplacement)元件。体积位移元件的使用提供了许多好处。例如，这样的体积位移元件减少了用于在接收器内使主热传递流体流动的可用体积，从而导致总体更高的流动速度并提供增强的热传递特性，这进而使得能够实现吸收元件的更均匀的周向温度分布。此外，将流动紊流器(turbulator)并入本发明的多个方面和多个实施方案，以进一步增强吸收元件壁与热传递流体之间的热传递。
体积位移元件还为例如通过减少与非均匀的周向温度分布相关联的应力以及例如通过减少吸收元件内的热传递流体的重量来减少吸收元件的弯曲(bowing)和下垂(sagging)创造条件。弯曲和下垂的减少例如还可以通过使线性接收器的位置维持在用于吸收聚集的太阳能辐射的最佳位置(诸如在抛物面槽式反射器的焦点处)来提供效率提高。体积位移元件的使用例如还为诸如通过以下方式能够从冻结事件恢复的线性接收器创造条件：提供用于内部地加热固态热传递流体的位置，以及为适应熔化后热传递流体的体积的增加的能力创造条件——诸如通过使用具有能收缩的几何形状的体积位移元件。
本发明还提供了例如用于收集聚集的太阳能辐射的方法，用于从冻结事件恢复线性接收器的方法，用于提高总体接收器效率的方法，诸如通过减少线性接收器的下垂和/或弯曲，通过减小线性接收器的周向温度分布，以及通过提高从线性接收器的壁到接收器内部的热传递流体的热传递效率。在多个实施方案中，这些技术是通过提供诸如本文中所述的线性接收器或者通过改装现有的线性接收器以并入本发明的体积位移元件或其他方面来实现的。
在第一方面，本发明提供了用于聚集太阳能收集器的线性接收器。该方面的一个具体接收器实施方案包括：线性太阳能辐射吸收元件，所述线性太阳能辐射吸收元件沿第一长度延伸，且包括具有第一内部体积的中空结构和用于吸收入射或反射的太阳能辐射的外表面；线性体积位移元件，所述线性体积位移元件被安置在所述线性太阳能辐射吸收元件内并沿所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第一长度的至少一部分延伸，其中所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；以及第一热传递流体，所述第一热传递流体被设置在所述第三体积内，其中所述第一热传递流体在所述线性太阳能辐射吸收元件内以第一流速流动，但不在第二体积内流动。在一个示例性实施方案中，所述第二体积占据所述第一内部体积的选自从15％到90％的范围的百分比。在多个实施方案中，所述第二体积占据所述第一内部体积的如下百分比：所述百分比大于20％、25％、30％、35％或40％，或选自从20％至80％、30％至70％或40％至60％的范围。
在某些实施方案中，线性体积位移元件的使用为线性太阳能辐射接收元件与第一热传递流体之间改善的热传递创造条件，所述改善的热传递例如是相比于如下线性接收器而言的：所述线性接收器包括具有由具有相同的第一流速的第一热传递流体占据的第一内部体积的线性太阳能辐射吸收元件，但不包括线性体积位移元件。这样的改善的传热率可选地为线性太阳能辐射吸收元件的更均匀的周向温度分布创造条件，从而导致线性太阳能辐射接收元件的背离用于接收聚集的太阳能辐射的最佳位置的最小限度弯曲。当在整个线性太阳能辐射吸收元件中存在大的周向温度分布时，这样的弯曲可能会发生。例如，线性太阳能辐射吸收元件的较热部分比线性太阳能辐射吸收元件的较冷部分经受更多热膨胀，从而导致形成线性太阳能辐射吸收元件的弯曲或下垂区域的应力。
在多个实施方案中，例如，与包括具有由具有第一流速的第一热传递流体占据的第一内部体积的线性太阳能辐射吸收元件但不包括线性体积位移元件的线性接收器相比，最大周向温差导致沿线性接收器的减小的弯曲、减小的应力和/或减小的应变。在一个具体的实施方案中，第一热传递流体的第一流速为如下所述创造条件：线性太阳能辐射吸收元件与第一热传递流体之间的传热率或热通量足以维持线性太阳能辐射吸收元件的最大周向温差，以实现线性太阳能辐射吸收元件中的目标量的弯曲、应力和/或应变。在一个实施方案中，最大周向温差小于100℃。
不受任何理论限制，相信，在实施方案中，与包括具有由具有第一流速的第一热传递流体占据的第一内部体积的线性太阳能辐射吸收元件但不包括线性体积位移元件的线性接收器相比，由特定传热率和/或热通量实现的目标周向温度分布导致线性太阳能辐射吸收元件与第一热传递流体之间的对流热传递的增加。在一些实施方案中，入射到线性聚集太阳能集热***的收集器孔径(诸如抛物面槽的反射表面)上的通量从100W/m2到1100W/m2变化。可选地，入射到线性太阳能辐射吸收元件上的通量可以高达或大于80000W/m2。然而，在实施方案中，入射到线性太阳能辐射吸收元件上的通量是太阳能接收器场的大小、太阳的入射角度、收集***的聚光比、***的收集效率等的函数。
在实施方案中，发生对流热传递的增加，这是因为与包括具有由具有第一流速的第一热传递流体占据的第一内部体积的线性太阳能辐射吸收元件但不包括线性体积位移元件的线性接收器相比，第一流速具有增加的线性速度。例如，在一个实施方案中，线性体积位移元件的存在实现了第一热传递流体的线性速度的选自从115％到1000％的范围的百分比增加。由于无论线性接收器是否包括线性体积位移元件，质量或体积流速都可选地是相同的，所以包括线性体积位移元件将导致更高的线性流速，因为线性太阳能辐射接收元件的体积的一部分被线性体积位移元件占据。在实施方案中，例如，线性体积位移元件占据线性太阳能辐射吸收元件的第一内部体积的15％到90％。本领域技术人员将认识到，使用流体性质和流体流过的横截面区域的几何形状在体积流、质量流和线性流之间进行转换是直截了当的。下面在实施例5中提供了进一步的细节。
各种体积位移元件对于本发明的设备和方法是有用的。例如，在一个实施方案中，线性体积位移元件包括玻璃、陶瓷、不锈钢、铬镍铁合金、包括大于50％的镍的金属合金、钢、金属或这些的任意组合。在一个示例性实施方案中，线性体积位移元件包括导电材料。在一个实施方案中，例如，线性体积位移元件沿所述第一长度的选自25％至100％的范围或50％至100％的范围的百分比延伸。有用的线性体积位移元件包括实心结构和中空结构两者。在多个实施方案中，线性体积位移元件具有选自由圆形、卵形、椭圆形、矩形和方形组成的组中的横截面形状。在一个示例性实施方案中，线性体积位移元件同心地置于线性太阳能辐射吸收元件内。
在一些实施方案中，线性体积位移元件包括两个或更多个线性体积位移元件。可选地，线性体积位移元件包括端部通过焊接相结合的两个或更多个线性体积位移元件。可选地，一个或多个线性体积位移元件包括端帽。在某些实施方案中，两个或更多个线性体积位移元件被安置为通过电桥彼此电连通。
有利地，与包括具有由具有第一流速的第一热传递流体占据的第一内部体积的线性太阳能辐射吸收元件但不包括线性体积位移元件的线性接收器的总体质量相比，本发明的包括线性体积位移元件的实施方案提供了线性接收器的总体质量的减小，该减小足以减少线性太阳能辐射吸收元件中的下垂、应力和/或应变。例如，在实施方案中，与包括具有由具有第一流速的第一热传递流体占据的第一内部体积的线性太阳能辐射吸收元件但不包括线性体积位移元件的线性接收器相比，这样的质量的减小减少了沿线性接收器的下垂。可选地，例如在其中线性体积位移元件具有小于第一热传递流体的密度的总体密度的实施方案中，实现这样的质量的减小。在某些实施方案中，该总体密度是第一热传递流体的密度的一个百分比。在实施方案中，例如因为第一热传递流体不在第二体积内流动和/或不存在于第二体积内，实现了这样的质量的减小。
在某些实施方案中，线性体积位移元件包括第二中空结构，诸如圆柱形管。在实施方案中，第二中空结构具有选自0.5至5mm的范围的壁厚。在实施方案中，第二中空结构具有的壁厚为第二中空结构的直径的一个百分比，诸如一个选自1％到40％的范围的百分比。可选地，该方面的线性接收器还包括设置在第二中空结构内的第二热传递流体。例如，对于第二热传递流体有用流体包括液体或气体，诸如包括水、蒸汽、油或熔盐或受热气体或受热液体的热传递流体。包括第二热传递流体有助于例如从第一热传递流体的冻结事件恢复。例如，在一个实施方案中，第一热传递流体的第一熔化温度比第二热传递流体的第二熔化温度高。在一个示例性实施方案中，第一热传递流体是固体，第二热传递流体具有比第一热传递流体的熔化温度更高的温度。
可选地，该方面的线性接收器包括那些其中线性体积位移元件包括能收缩的几何形状的实施方案。使用包括能收缩的几何形状的线性体积位移元件有益于例如从冻结事件恢复，在冻结事件中一冻结第一热传递流体就经历体积的减小，和/或一熔化第一热传递流体就经历体积的膨胀。在实施方案中，例如第一热传递流体的熔化导致由第一热传递流体占据的体积的增加，同时由第一热传递流体占据的体积增加后线性体积位移元件的体积就减小，从而防止第一热传递流体熔化后使线性太阳能辐射吸收元件断裂、破裂、变形或损坏。
例如，在一个实施方案中，当第一热传递流体的至少一部分的温度从第一热传递流体的熔化温度以下的第一温度增加到第一热传递流体的熔化温度以上的第二温度时，线性体积位移元件从大于第二体积的体积收缩。在另一实施方案中，当第一热传递流体的至少一部分的温度从第一热传递流体的熔化温度以上的第一温度下降到第一热传递流体的熔化温度以下的第二温度时，线性体积位移元件从第二体积膨胀到更大的体积。
可选地，能收缩的几何形状通过多种线性体积位移元件提供。例如，在实施方案中，线性体积位移元件包括一个或多个挠性区域和/或一个或多个回旋区域。这样的能收缩的几何形状可选地为线性体积位移元件提供了变形的能力。
在实施方案中，多种太阳能辐射吸收元件(本文中也称为吸收管)对本发明的设备和方法是有用的。在一个实施方案中，例如，线性太阳能辐射吸收元件包括圆柱形管。在各种实施方案中，例如，线性太阳能辐射吸收元件具有选自由圆形、卵形、椭圆形、矩形和方形组成的组中的横截面形状。在某些实施方案中，使用特定横截面形状的辐射吸收元件可以为太阳能收集***提供进一步的增强，诸如通过减少内部的热传递流体的质量以及通过为特定聚集***提供最佳吸收区域。例如，在一个实施方案中，在线性菲涅尔***中使用具有椭圆形横截面形状的辐射吸收元件。
在示例性实施方案中，例如当接收器被暴露于聚集的太阳能辐射时，本发明的线性接收器的线性太阳能辐射吸收元件具有高于300℃、高于400℃、高于500℃、高于600℃或低于600℃的平均温度。在示例性实施方案中，例如当接收器未暴露于聚集的太阳能辐射时，本发明的线性接收器的线性太阳能辐射吸收元件维持高于第一热传递流体的熔化温度的平均温度。在一个实施方案中，当接收器未暴露于聚集的太阳能辐射时，本发明的线性接收器的线性太阳能辐射吸收元件具有高于或等于环境温度的平均温度。
有用的线性太阳能辐射吸收元件包括但不限于包括不锈钢的线性太阳能辐射吸收元件。在一个具体的实施方案中，线性太阳能辐射吸收元件包括设置在外表面上的吸收层或涂层，诸如适于吸收入射到吸收层上的所有、一部分或大部分太阳能电磁辐射的吸收层。
在某些实施方案中，本发明的线性接收器还包括位于第三体积内的一个或多个紊流器。在诸如暴露于第一热传递流体的第三体积内使用紊流器，有利地增加了第一热传递流体内的紊流，并可选地增加线性太阳能辐射吸收元件与第一热传递流体之间的传热率或热通量。例如，在实施方案中，与没有一个或多个紊流器时的第一热传递流体流相比，一个或多个紊流器增强了第一热传递流体流内的紊流。在一个实施方案中，例如，一个或多个紊流器包括：一个或多个圆柱形销或圆柱形支撑腿，其被安置成圆柱轴线与第一热传递流体的流动方向垂直；和/或一个或多个螺旋物体，其被安置成螺旋轴线与第一热传递流体的流动方向平行。
多种热传递流体对本发明的设备和方法是有用的。例如，有用的热传递流体(诸如对于第一热传递流体有用的热传递流体)包括但不限于：包括油、合成油、盐、盐的混合物、硝石、硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙、超临界CO2、水、蒸汽、含水混合物(诸如包括乙二醇或减少腐蚀或压低冻结点的其他添加剂)或这些物质的任何组合的热传递流体。在一些实施方案中，第一热传递流体具有选自100℃到300℃的范围的熔化温度。
在某些实施方案中，本发明的线性接收器还包括中空玻璃结构，该中空玻璃结构被安置成使得线性太阳能辐射吸收元件位于中空玻璃结构内。玻璃外部结构(在本文中也称为玻璃套管)对于保护线性太阳能辐射吸收元件以及对于使自线性太阳能辐射吸收元件的传导热损失最小化是有用的，诸如通过在线性太阳能辐射吸收元件的至少一些部分周围包含绝缘材料或真空。
在一个实施方案中，例如，中空玻璃结构包括圆筒形管。可选地，中空玻璃结构具有选自由圆形、卵形、椭圆形、矩形和方形组成的组中的横截面形状。在示例性实施方案中，中空玻璃结构对于地面太阳能光谱的至少一部分是透明的，从而允许太阳能辐射通过中空玻璃结构并被线性太阳能辐射吸收元件吸收。可选地，线性太阳能辐射吸收元件被同心地置于中空玻璃结构内。某些实施方案还进一步包括一个或多个支撑元件以将线性太阳能辐射吸收元件固定在中空玻璃结构内。
在多个实施方案中，本发明的线性接收器包括一个或多个支撑元件以将线性体积位移元件固定在线性太阳能辐射吸收元件内。例如，有用的支撑元件包括但不限于5角弹簧和/或支撑腿，诸如圆柱形支撑腿。
在实施方案中，本文所述的线性接收器在聚集太阳能收集器(诸如包括反射抛物面槽式太阳能收集器和/或反射线性菲涅耳太阳能收集器的聚集太阳能收集器)中是有用的。在示例性实施方案中，反射抛物面槽式太阳能收集器和/或反射线性菲涅尔太阳能收集器被安置成使得反射的太阳能辐射被引导到线性接收器上。
在其他方面，本发明提供了方法，诸如使用上述的线性接收器的方法。在多个实施方案中，本发明提供收集聚集的太阳辐射的方法，诸如其中线性太阳能辐射吸收元件的最大周向温差被维持在特定的范围内以实现线性太阳能辐射吸收元件内的目标量的弯曲、应力和/或应变的方法。例如，在一个实施方案中，最大周向温差被维持在100℃以下。然而，在一些实施方案中，可以短暂地超过这样的最大温差而接收器不遭到损坏。
该方面的示例性方法实施方案包括以下步骤：提供上述的任一线性接收器；使所述线性太阳能辐射吸收元件暴露于聚集的太阳能辐射，其中第一热传递流体的第一流速足以使所述线性太阳能辐射吸收元件的最大周向温差维持在特定范围内以实现所述线性太阳能辐射吸收元件内的目标量的弯曲、应力和/或应变。
该方面的另一示例性方法实施方案包括以下步骤：提供沿第一长度延伸的线性太阳能辐射吸收元件，其中所述线性太阳能辐射吸收元件包括具有第一内部体积的中空结构和用于吸收入射或反射的太阳能辐射的外表面；提供在所述线性太阳能辐射吸收元件内且沿所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第一长度的至少一部分延伸的线性体积位移元件，其中，所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，并且其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；使第一热传递流体在所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第三体积内流动，其中所述第一热传递流体在所述线性太阳能辐射吸收元件内以第一流速流动，并且不在所述第二体积内流动；以及使所述线性太阳能辐射吸收元件暴露于聚集的太阳能辐射，其中所述第一流速足以使所述线性太阳能辐射的最大周向温差维持在特定范围内以实现所述线性太阳能辐射吸收元件内的目标量的弯曲、应力和/或应变。
该方面的其他示例性方法实施方案包括减少聚集太阳能收集器的线性太阳能辐射吸收元件的弯曲或下垂的方法。例如，一个具体的方法实施方案包括以下步骤：提供聚集太阳能收集器，所述聚集太阳能收集器包括沿第一长度延伸的线性太阳能辐射吸收元件和第一热传递流体，所述第一热传递流体被安置在所述线性太阳能辐射吸收元件内，并且以第一流速流动，其中所述线性太阳能辐射吸收元件包括具有被所述第一热传递流体占据的第一内部体积的中空结构和用于吸收聚集的或反射的太阳能辐射的外表面；提供在所述线性太阳能辐射吸收元件内并且沿所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第一长度的至少一部分延伸的线性体积位移元件，使得所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；以及重建所述线性太阳能辐射吸收元件内的所述第一热传递流体的所述第一流速，其中所述第一热传递流体不在所述第二体积内流动，并且其中当所述线性接收器吸收聚集的太阳能电磁辐射时，所述第一流速足以使所述线性太阳能辐射吸收元件的最大周向温差维持在特定范围内，从而减少所述线性太阳能辐射吸收元件的弯曲。
在上述方法的实施方案中，第一流速在线性太阳能辐射吸收元件与第一热传递流体之间建立对流传热率，该对流传热率足以使最大周向温差维持在特定范围内以实现线性太阳能辐射吸收元件内的目标量的弯曲、应力和/或应变。在某些实施方案中，与当线性太阳能辐射吸收元件的最大周向温差大于目标周向温差(例如大于100℃)时发生的弯曲相比，目标周向温度分布提供了沿线性接收器的减少的弯曲。
在多个实施方案中，本发明提供了收集聚集的太阳能辐射的方法，诸如其中线性太阳能辐射吸收元件的下垂减小和/或最小化的方法。该方面的一个示例性方法实施方案包括以下步骤：提供本文所述的任一线性接收器，其中所述线性体积位移元件具有小于第一热传递流体的密度的总体密度；以及使线性太阳能辐射吸收元件暴露于聚集的太阳能辐射。
该方面的另一示例性方法实施方案包括以下步骤：提供聚集太阳能收集器，所述聚集太阳能收集器包括沿第一长度延伸的线性太阳能辐射吸收元件和第一热传递流体，所述第一热传递流体被安置在所述线性太阳能辐射吸收元件内并且以第一流速流动，其中所述线性太阳能辐射吸收元件包括具有被所述第一热传递流体占据的第一内部体积的中空结构和用于吸收入射的或反射的太阳能辐射的外表面，并且其中所述线性太阳能辐射吸收元件和所述线性太阳能辐射吸收元件内的所述第一热传递流体一起具有第一质量；提供在所述线性太阳能辐射吸收元件内并且沿所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第一长度的至少一部分延伸的线性体积位移元件，使得所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；以及重建所述线性太阳能辐射吸收元件内的所述第一热传递流体的所述第一流速，其中所述第一热传递流体不在所述第二体积内流动；其中所述线性太阳能辐射吸收元件、所述线性体积位移元件和所述第三体积内的所述第一热传递流体一起具有为第一质量的一个百分比的第二质量，从而减少所述线性太阳能辐射吸收元件的下垂。
对于以上所述的方法的某些实施方案，聚集太阳能收集器包括沿线性太阳能辐射吸收元件的长度分布的用于支撑线性太阳能辐射吸收元件的多个支撑结构，并且方法还包括移除所述多个支撑结构中的一个或多个的步骤。
在多个实施方案中，本发明提供了从聚集太阳能收集器的冻结事件恢复的方法，诸如其中第一热传递流体熔化的方法。这方面的一个示例性方法实施方案包括以下步骤：提供本文所述的任一线性接收器；使第一热传递流体冷却到所述第一热传递流体的熔化温度以下的第一温度，其中线性体积位移元件包括第二中空结构和设置在第二中空结构内的第二热传递流体；以及将所述第二热传递流体加热到所述第一热传递流体的熔化温度以上的第二温度，其中来自所述第二热传递流体的热量被传递到所述第一热传递流体，从而使所述第一热传递流体的至少一部分熔化。
该方面的另一示例性方法实施方案包括以下步骤：提供本文所述的任一线性接收器；将第一热传递流体冷却到所述第一热传递流体的熔化温度以下的第一温度；以及通过使电流沿线性体积位移元件的长度或沿线性太阳能辐射吸收元件的长度传递以诸如通过电阻加热来产生热量而加热所述线性体积位移元件，其中，来自所述线性体积位移元件或所述线性太阳能辐射吸收元件的热量被传递到所述第一热传递流体，从而使所述第一热传递流体的至少一部分熔化。
可选地，在上述方法的多个实施方案中，线性体积位移元件包括能收缩的几何形状。例如，在具体实施方案中，第一热传递流体的熔化导致所述第一热传递流体占据的体积增加，其中所述第一热传递流体占据的体积增加后第二体积就减小，从而防止所述第一热传递流体熔化后线性太阳能辐射吸收元件断裂、破裂、变形或损坏。
这方面的其他示例性方法实施方案包括制作聚集太阳能收集器的方法。在一个具体实施方案中，制作聚集太阳能收集器的方法包括以下步骤：提供本文所述的任一线性接收器；以及将所述线性接收器安置在一个位置以从一个或多个反射表面接收聚集的太阳能辐射。
在另一具体实施方案中，制作聚集太阳能收集器的方法包括以下步骤：提供沿第一长度延伸的线性太阳能辐射吸收元件，其中所述线性太阳能辐射吸收元件包括具有第一内部体积的中空结构和用于吸收入射或反射的太阳能辐射的外表面；提供在所述线性太阳能辐射吸收元件内并沿所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第一长度的至少一部分延伸的线性体积位移元件，其中所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；使第一热传递流体在所述第三体积内在所述线性太阳能辐射吸收元件的内表面与所述线性体积位移元件之间以第一流速流动，其中所述第一热传递流体不在所述第二体积内流动；以及将所述线性接收器安置在一个位置以从一个或多个反射表面接收聚集的太阳能辐射。
对于多个实施方案，一个或多个反射表面可选地包括一个或多个抛物面槽式反光镜或线性菲涅耳太阳能收集器的一个或多个反光镜。在一个具体实施方案中，一个或多个反射表面包括一个或多个抛物面槽式反光镜，线性接收器被安置在一个或多个抛物面槽式反光镜的焦点处。
不希望受任何特定理论束缚，本文中可以有对与本发明相关的基本原理的信念或理解的讨论。应认识到，不管任何机械解释或假设的最终正确性，本发明的一个实施方案仍然可以是可操作且有用的。
附图说明
图1描绘了用于聚集太阳能收集器的一个示例性线性接收器实施方案的横截面。
图2A描绘了用于聚集太阳能收集器的线性接收器的横截面；图2B描绘了用于聚集太阳能收集器的椭圆形线性接收器的横截面；图2C描绘了具有内部管的椭圆形线性接收器的横截面。
图3描绘了用于聚集太阳能收集器的线性接收器的横截面。
图4描绘了具有内部管的线性接收器的横截面。
图5描绘了具有由5角弹簧支撑的内部管的线性接收器的横截面。
图6描绘了内部管由附接到内部管的3个腿的三角架(三个刚性腿分布在内部管周围)支撑的线性接收器的横截面。
图7描绘了示例性接收器实施方案的示意图，其中内部管与吸收管同心。
图8描绘了一个示例性接收器实施方案的部件的示意图，该实施方案包括多个相邻的内部管，其中所述相邻的内部管的端部滑出超过吸收管的边缘以将相邻的内部管焊接在一起。
图9描绘了一个示例性接收器实施方案的部件的示意图，该实施方案包括多个相邻的内部管，其中所述相邻的内部管的端部被用帽盖住。
图10描绘了一个示例性接收器实施方案的部件的示意图，该实施方案包括多个相邻的内部管，其中所述相邻的内部管的端部被用帽盖住并且桥在相邻的内部管之间提供导电性以例如传送用于阻抗加热的电流。
图11描绘了在安装有弯头的太阳能收集器的端部的吸收管的示意图，该弯头具有洞使得内部管的直线段可以通过。
图12描绘了一个示例性接收器实施方案的部件的示意图，该实施方案包括诱导热传递流体的紊流的特征(紊流器)，诸如与内部管的轴线垂直且与热传递流体的流动垂直的圆柱形销。
图13和14示出了用于在用于太阳能收集器的吸收器中的应力和应变的有限元分析(FEA)的参考坐标系，图13描绘了槽的3维坐标系，图14描绘了接收器的角位置坐标系。
图15提供了例示抛物面槽的接收器上的单位通量分布的结果。
图16例示了在有限元分析模型中使用的差分控制体积。
图17A提供了示出对于DNI＝1000W/m2、接收器外径＝90mm、聚光比＝80/π以及流体温度＝500℃为熔盐流速的函数的接收器壁温度的结果；图17B提供了示出对于DNI＝1000W/m2、接收器外径＝90mm、聚光比＝80/π以及流速＝8kg/s为熔盐温度的函数的(与壁最低温度的)接收器壁温差的结果。
图18提供了示出对于四个聚光比为流速的函数的接收器壁周向温差的结果。
图19A提供了示出太阳能收集器的接收管内的峰值应力区的接收管FEA模型的结果，图19B提供了示出具有90mm的外径、4.7m的长度和2.5mm的壁厚的接收器中的为该接收器的热侧与冷侧之间的温差的函数的最大应力的结果。
图20提供了示出对于四个接收器壁厚为周向温差的函数的接收器的壁中的最大应变的数据。
图21提供了示出最大可允许接收器壁周向温差的数据。
图22A提供了示出对于普遍的收集器环路在给定入口温度和聚光比的情况下为了保持500℃的出口温度所需的最小流速的数据；图22B提供了示出对于普遍的收集器环路为入口温度、聚光比和500℃的出口温度的函数的在30年的预计服务后接收器中的最大应变的数据。
图23A提供了示出对于普遍的太阳能收集器阵列(SCA)在给定入口温度和聚光比的情况下为保持500℃的出口温度所需的流速的数据；图23B提供了示出对于普遍的SCA为入口温度、聚光比和500℃的出口温度的函数的在30年的预计服务后接收器中的最大应变的数据。
具体实施方式
一般地，本文所使用的术语和短语具有它们在本领域公认的意义，所述意义可以通过参考标准教科书、期刊文献和本领域技术人员已知的上下文来查找。提供以下定义来阐明它们在本发明的上下文中的具体用途。
“太阳能辐射吸收元件”是指用于将入射或反射的太阳能辐射转化成热量的太阳能收集器的部件。在实施方案中，太阳能辐射吸收元件具有适于吸收太阳能辐射的表面。
“体积位移元件”是指占据太阳能收集器内的体积以排出太阳能收集器的主热传递流体的太阳能收集器的部件。在实施方案中，体积位移元件包含用于将热量传递到主热传递流体或从主热传递流体传递热量的次热传递流体。在实施方案中，体积位移元件包括用于通过电阻加热和/或阻抗加热来加热围绕体积位移元件的热传递流体的传导体。在实施方案中，体积位移元件具有能收缩的几何形状，使得在围绕体积位移元件的热传递流体熔化时体积位移元件的体积可适应热传递流体的体积的增加。
“热传递流体”是指用于在太阳能收集器的元件之间传递热量的太阳能收集器的部件。例如，在实施方案中，热传递流体用于将热量从太阳能辐射吸收元件传输到太阳能收集器***的其他地方，诸如传输到发电机或蒸汽轮机。有用的热传递流体包括但不限于熔盐、油、液态水或蒸汽。在实施方案中，如果熔盐热传递流体的温度下降到该热传递流体的熔化温度以下，则该热传递流体会经受冻结并在太阳能收集器中形成固体。在实施方案中，次热传递流体用于通过使主热传递流体的温度上升来使太阳能辐射吸收元件中的冻结的主热传递流体熔化。
“线性”是指沿着沿单个轴线的长度延伸的物体的特性。在一个实施方案中，线性物体的轴线沿直线延伸。在一个实施方案中，线性物体的轴线沿曲线(诸如沿弧线)延伸。
“支撑元件”是指如下物体或结构：其用于支撑另一物体的质量。在实施方案中，支撑元件用于将一个物体在空间中或另一物体内的位置固定。例如，在实施方案中，一个或多个支撑腿和/或支撑弹簧被用于将一个物体定位在另一物体内。
“太阳能辐射”是指由太阳产生的光。太阳能辐射包括入射的太阳能辐射和反射的太阳能辐射。在一些实施方案中，术语“太阳能辐射”和“地面太阳能辐射”可互换使用，并且是指由太阳产生并通过地球的大气层传输的光。入射的太阳能辐射是指由物体直接从太阳接收的光，诸如通过地球的大气层传输的太阳能辐射。反射的太阳能辐射是指入射到反射物体上并朝向另一位置或物体反射的太阳能辐射。例如，在一个实施方案中，入射到抛物面槽式反光镜上的太阳能辐射朝向反光镜的焦点反射，并且反射的太阳能辐射被引向太阳能收集器的接收器或吸收器。
“吸收(absorb)”和“吸收(absorbing)”是指由物体接纳电磁辐射的光子的过程。在某些实施方案中，物体适于通过在物体的表面上提供吸收层来吸收太阳能辐射。
“电通信”是指物体的一种布置，该布置使得电流可以从一个物体流到另一物体。例如，在一个实施方案中，可以通过使用电桥使相互不物理接触的传导体相互电通信。“电桥”是指被设置为在两个其他物体之间提供电通信的传导物体，诸如被设置为与这两个其他物体物理接触的传导物体。
“流速”是指对流体运动的速率的度量。在实施方案中，流速是质量流速，诸如对为时间的函数的流过参考点的流体的质量的度量。在实施方案中，流速是体积流速，诸如对为时间的函数的流过参考点的流体的体积的度量。在实施方案中，流速是线性流速，诸如对为时间的函数的由流过参考点的流体行进的距离的度量。
“热传递”是指热能从较热的材料移动到较冷的材料的过程。在实施方案中，热传递被量化为传热率或热通量。在一个实施方案中，例如，传热率是指为时间的函数的在两个物体之间传递的能量的量。在一个实施方案中，例如，热通量是指为时间的函数的通过限定的面积在两个物体之间传递的能量的量。
“周向温差”是指在围绕物体的圆周或周边的不同点处测得的物体的两个温度之间的差。在一个实施方案中，周向温差是指在围绕圆柱形物体的圆周的两点之间的温差。在一个实施方案中，周向温差是指在围绕具有非圆形横截面(诸如矩形横截面或椭圆形横截面)的物体的周边的两点之间的温差。在实施方案中，短语“周向温度分布”是指围绕物体的圆周或周边的物体的温度的变化。
“紊流器”是指置于流动流体中以增强、引入或以其他方式增加流体的紊流的物体。
“同心”是指两个或更多个物体的一种布置，该布置使得这些物体具有共同的中心。在一个实施方案中，当两个圆柱形管中的一个设置在另一个内时，这两个圆柱形管同心地设置，使得所述管的中心对齐。然而，如本文所使用的，术语同心还指如下两个或更多个物体的布置：所述两个或更多个物体中的一个或多个具有非圆形横截面。例如，在一个实施方案中，诸如通过使横截面区域的中心对齐，圆柱形管可以同心地设置在具有椭圆形横截面的管内。
“聚光比”是指太阳能收集器的收集孔径的尺寸与其上的太阳能辐射引自太阳能收集器的接收器的尺寸的比率。在一个实施方案中，术语聚光比是指太阳能收集器的孔径的宽度与接收器的直径的比率。在一个实施方案中，术语聚光比是指太阳能收集器的孔径的面积与接收器的接收面积的比率。
术语“总体”在本文中用来指多个物体的属性的集体测量。例如，在一个实施方案中，一个物体或设备的总体质量是指该物体或设备的包括其任何子部件的总质量。在一个具体实施方案中，用于聚集太阳能收集器的线性接收器的总体质量包括线性太阳能辐射吸收元件的质量、线性体积位移元件的质量和线性太阳能辐射吸收元件内的热传递流体的质量。类似地，在另一示例性实施方案中，一个物体或设备的总体密度是指包括其任何子部件的该物体或设备的总质量除以包括其任何子部件的该物体或设备所占据的总体积。
“流体连通”和“流动连通”是指物体或体积的一种布置，该布置使得流体(例如液体)可以在物体或体积之间流动。
“下垂”和“弯曲”是指由线性物体上的力、线性物体内的应力和/或线性物体内的应变导致的该物体的至少一部分的位移。
图1描绘了用于聚集太阳能收集器的一个示例性线性接收器实施方案100的横截面。在示出的实施方案中，线性接收器100包括外部玻璃套管110。可选地，外部玻璃套管110包括外表面涂层，诸如抗反射涂层。外部玻璃套管对于太阳能地面光谱的至少一部分是透明的，使得入射的太阳能地面辐射的全部或部分可以穿过外部玻璃套管110。在外部玻璃套管内，接收管130被设置成接收穿过外部玻璃套管110的入射或反射的太阳能地面辐射。在一个示例性实施方案中，绝缘体或真空120被设置在接收管130与外部玻璃套管110之间。绝缘体或真空120的使用使得从接收管130的传导和/或对流热损失最小化。在示例性实施方案中，接收管130包括外层或涂层以优化太阳能地面辐射的吸收及到热能的转化。热传递流体140被设置在接收管130内，并被用于将来自吸收的太阳能辐射的热量传输到其他地方供使用，诸如传输到发电***。还在接收管130内设置的是体积位移元件150，该体积位移元件占据接收管130的内部体积的一部分。在图1所示的实施方案中，体积位移元件150包括内部空间160，该内部空间可选地填充有第二热传递流体或其他材料；然而，不允许热传递流体140在内部空间160内流动。
体积位移元件150的使用为线性接收器提供了许多优点。例如，在实施方案中，热传递流体140的流速建立在与在不存在体积位移元件150的情况下原本会使用的质量或体积流速类似或相同的质量或体积流速下。然而，因为接收管130的体积的一部分被体积位移元件150占据，所以热传递流体的线性流速高于在不存在体积位移元件150的情况下原本会使用的线性流速。有利地，由于通过这样的增加的线性流速引起的对流热传递的增加，该增加的线性流速将导致从接收管130到热传递流体140的改善的热传递。
进而，从接收管130到热传递流体140的改善的热传递将导致接收管130的更均匀的周向温度分布。例如，在其中只有接收管130的一部分接收来自反射结构的聚焦的太阳能辐射的实施方案中(诸如在其中主要是接收管130的底部接收聚焦的太阳能辐射的抛物面槽式***中)，可能会发生非均匀的周向温度分布。由此产生的非均匀的周向温度分布可以施加导致接收管130弯曲的应力。这些应力由与接收管130的较冷部分相比而言的接收管130的较热部分的增加的热膨胀引起。通过具有更均匀的周向温度分布，将发生接收管130的较少弯曲，从而通过使线性接收器的位置维持在用于接收聚集的太阳能辐射的最佳位置(诸如抛物面槽式接收器的焦点处)导致效率提高。
此外，在一些实施方案中，体积位移元件150和内部空间160中的任何内容物的组合质量小于等同体积的热传递流体140，从而导致与缺少体积位移元件150的线性接收器相比，***的质量减少。与缺少体积位移元件150其中下垂将使接收管的部分远离用于接收聚集的太阳能辐射的最佳位置移动的线性接收器相比，这样的质量上的减少将导致接收管130的较少下垂，并通过使线性接收器的位置维持在用于接收聚集的太阳能辐射的最佳位置(诸如抛物面槽式接收器的焦点处)导致效率提高。
此外，在一些实施方案中，热传递流体140可以通过冷却至熔点以下的温度而冻结。体积位移元件150可选地为以下能力创造条件：加热冻结的热传递流体140以便使热传递流体140返回到液体状态的能力。可以通过如下方式提供这样的加热：使温度在热传递流体140的熔点以上的第二热传递流体通过内部空间160，或者将电流传送通过体积位移元件150以通过电阻加热生成热量。
此外，对于一些实施方案，体积位移元件150可选地设置有能收缩的几何形状。这样的配置为从冻结事件恢复提供了优点，诸如以上所述，因为体积位移元件150的能收缩的几何形状对于适应一旦熔化就会发生的冻结的热传递流体140的体积的任何增加是有益的，该增加原本会导致接收管130的破裂、变形或损坏。
通过以下非限制性实施例将进一步理解本发明。
实施例1：用于线性菲涅耳收集器的椭圆形接收器
线性菲涅耳收集器可以实现非常大的孔径，而不引起相称的风力负荷。虽然这提供了若干功效，但是大孔径线性菲涅尔设计的一个后果是，接收器变得更大。如果接收器的横截面是圆形的，类似于抛物面槽式接收器，则接收器的横截面面积随接收器直径的增加的平方而增长。这进而有若干后果。首先，接收器和流体组合的重量快速增长，从而导致接收器下垂以及需要包括额外的结构材料。第二，流体线性速度降低，从而导致长的流体传输时间，这进而又降低收集器场的响应性。
第二个问题适用于以熔盐作为工作流体运行的线性菲涅尔收集器。盐可能会冻结，从而需要冻结恢复。最好的冻结恢复策略是从接收器的内部增加热，因为由于接收器从壁向内冻结，这是预期冻结盐自由表面的地方。在这个自由表面附近解冻是有利的，因为这允许有空间用于解冻的盐膨胀，而不会对接收器施加不适当的应力。
以上观察结果表明，减小接收器周长和承载流体的横截面面积以及提供用于冻结恢复的中央加热手段是有益的。该实施例提供了实施方案以通过横截面为椭圆形且包含内部元件的线性菲涅尔收集器来实现这些有益结果。这些内部元件单独地或组合地提供结构刚度、内部体积位移以及微量加热能力。在该实施例中描述的实施方案利用从线性菲涅尔收集器阵列反射到接收器上的光的图案来提供具有减小的横截面但仍为光捕获提供适当目标的接收器。
图2B示出一个示例性椭圆形接收器，与图2A中的接收器相比较地示出。图2B中的椭圆形接收器在竖直方向上保持300mm的尺寸，但在水平方向上具有减小的直径。这种特性形状与从线性菲涅尔收集器反射的光很好地匹配，这是由于从接收器下面的反光镜反射的光在近竖直方向上以窄的光束扩展到达，而来自位于收集器边缘的更远的反光镜的光以近似水平的角度以较宽的光束扩展到达。该接收器为所有的反光镜提供了良好的光学目标，但减小了接收器的周长和横截面面积。
最后，接收器外尺寸的减小受到有效地捕获反射光所需要的最小光学目标大小的限制。这限制了接收器周长的减小。然而，可以通过包括如图2C所示的内部管来进一步减小横截面面积。该管使额外的工作流体移动，从而减少了流体成本、接收器内的重量和流体传输时间。内部管还提供了极好的热微量元件，因为它可以提供管内的热源以从冻结事件恢复。这是重要的，因为冻结的熔盐在解冻时需要空间来膨胀，以及在盐在接收器壁处开始冻结并向内传播之后可用的自由表面很可能是在管的内部。热量可以通过使热的流体沿管向下流动或通过电手段来提供。
图2A-2C。注意，图2A、2B和2C所示的尺寸仅是示例，并且不旨在是限制性的。例如，响应于选择的收集器孔径大小和聚光比，竖直尺寸可以改变，并且水平尺寸可以基于光学性能优化而改变。同时，内部管的尺寸也可以例如基于总体***成本优化、流体流动分析、关于是否包括额外特征以提供接收器内部结构支撑的决定以及制造考虑因素而改变。
椭圆形接收器、内部管和内部结构的方面均可选地单独或一起应用。这些方面实现了减少保持在接收器内的盐的益处，这将进而引起(a)减少的接收器下垂、(b)降低的流体成本以及(c)减少的流体环路传输时间。此外，椭圆形接收器的表面积也减小，从而导致(d)降低的热辐射损耗以及(e)降低的接收器成本。减少横截面流体面积还实现了减少所需的集管部分面积的益处，从而导致(f)减少的集流管成本以及(g)流体成本的进一步减少。
实施例2：具有减少的周向温度分布的太阳能接收器
传统构造。接收管的传统构造具有嵌套在玻璃套管内的吸收管。热传递流体(HTF)流过吸收管，真空被保持在玻璃套管与吸收管之间。图3示出了这种构造。
替代构造。在该实施例中描述的替代构造使用***吸收管内的第二较小管来产生用于HTF通过的环形横截面。HTF不流过内部管。内部管可选地允许次流体在其内流动，但在一些实施方案中，在内部管内没有次流体流动。图4示出了一个替代构造实施方案。
周向温度分布。替代横截面面积(图4中的面积2)是比传统构造(图3中的面积1)更小的面积。对于在相同的运行温度下的相同质量或体积流速，在该实施例中描述的替代构造的环中的流动速度更快，这是因为该实施例使相同量(质量/体积)的HTF通过更小的面积。更快的流体速度增加了从吸收管壁到HTF的对流热传递。
由于某些抛物面槽式收集器实施方案的光学器件，聚焦的光仅照射接收器的一侧。由于接收器不被均匀地照射，被照射的侧显著热于未被照射的侧。这造成吸收管上的非均匀的周向温度分布。增加的对流热传递减小了接收器的被照射的侧与未被照射的侧之间的温差。
由于管材料不均匀地膨胀，非均匀的周向温度分布还引起吸收管中的弯曲。该弯曲可足够显著以致导致吸收管故障。通过减小接收器的被照射的侧与未被照射的侧之间的温差，减少了接收器中的弯曲。
描述HTF速度与由此产生的周向温度分布之间的关系以及与周向温度分布相关联的弯曲和应力的建模结果在下面在实施例4中进行描述，并且还可以在论文“Modeling andAnalysis of Stress in High Temperature Molten Salt Trough Receivers”，SolarPACES 2013，Energy Procedia(印刷中)中找到，在此通过引用将该论文的整体并入。
冻结恢复。接收管的一些应用利用了具有如果运行温度下降到冻结点以下则在吸收管中冻结的潜能的HTF。内部管可以通过使受热流体流过内部管而使冻结的HTF解冻来促进冻结恢复。
内部管的能收缩的几何形状。吸收管中使用的大多数HTF在冻结时会收缩。当HTF解冻时，流体将膨胀。如果没有空间用于HTF膨胀进入其中，吸收管将会由于产生的极端压力而破裂。为了允许膨胀，内部管可被制造成具有根据需要允许环中的体积膨胀的能收缩的几何形状。能收缩的几何形状可选地包括特征诸如回旋和/或膜片。
减少盐体积。由于内部管减小了HTF流过的横截面面积，接收器内的HTF的总体积减小。当使用熔盐时，这变得显著，因为熔盐比其他HTF密度更大。HTF的重量由吸收管支承，并导致该管弯曲。弯曲导致吸收管的一部分移出焦点之外。这降低了性能。通过最小化弯曲，性能可以得到保持。
悬架。在实施方案中，内部管与吸收管同心。为了实现这一点，需要某种形式的悬架以将内部管定位。一个选项是5角弹簧。该弹簧的每个腿包括两个薄元件，所述两个薄元件在吸收管的内壁上的一个点处相交。腿附接到内部管。腿可以挠曲，使得腿与吸收壁紧密接触，并且所述挠曲还允许内部管被安装到吸收管中。在图5中示出这个选项。
另一个选项是使用3个腿的三脚架来定位内部管。三脚架附接到内部管，并且腿是刚性的。在图6中示出该选项。为了方便将内部管***吸收管，腿可选地被制造成使得端部与吸收管的内壁之间存在间隙。
实施例3：以嵌套的内部管为特色的太阳能接收器
嵌套和结合。在这个实施例中，提供了内部管的嵌套，使得内部管与吸收件同心。该嵌套在图7中示出。
如果需要结合相邻的内部管，可以将内部管的端部滑出超出吸收管的边缘以提供对用于焊接的接头的访问。一旦完成焊接，相邻的吸收管就可一起滑动并紧密结合。这在图8中示出。
替代地，如果不需要结合内部管，则将每个单独的内部管的端部用帽盖住。帽防止HTF流过内部管。帽在图9中示出。如果将内部管用来传递电流用于阻抗加热，则安装桥以将相邻的内部管电气连接。桥在图10中示出。
太阳能收集器组件接头的端部。如果将沿太阳能收集器组件(SCA)的内部管如图7所示地连接，在SCA的端部，内部管必须通过吸收管。在SCA的端部的吸收管配备有弯头。弯头具有洞，使得内部管的直线段可以通过。该配置在图11中示出。
流动紊流器。可选地为内部管配备引起HTF的紊流的特征。一种可能性为使用垂直于内部管的轴线并垂直于HTF的流动的圆柱形销。紊流将改善从吸收壁到HTF的热传递。结果是，将减少周向温度分布。紊流器在图12中示出。
实施例4：高温熔盐槽式接收器中的应力建模与分析
该实施例研究了在425℃以上的温度下运行的抛物面槽式接收器中出现的应力和变形。在这样的温度下运行允许直接的熔盐存储以及从热能到电能的更高效率转化。然而，在这样的温度下，接收器构造中使用的典型的不锈钢容易遭受碳化铬沉淀。在已经出现沉淀之后，钢易受到晶间腐
蚀，并且钢的疲劳强度降低。腐蚀增加了接收器壁中的应力，并且降低的疲劳强度使发生故障处的极限应力下降。该实施例描述了这些应力的分析结果以及在这样的运行温度下接收器材料的评估结果。该实施例显示，抛物面槽式接收器可以被设计以减轻碳化铬沉淀的负面影响，并在425℃以上运行而没有过早失效的风险。
介绍和背景。熔盐操作允许聚集太阳能发电(CSP)抛物面槽在更高的运行温度下运行，并促进直接的熔盐存储。在这个分析中对在较高温度下接收器的使用寿命进行了研究。对于此处描述的运行条件，该分析表明接收器具有足够的使用寿命。
抛物面槽的热接收器中所使用的主要钢合金是AISI 300系列不锈钢。这一系列不锈钢在升高的温度下表现出良好的耐腐蚀性和强度。为钢提供其耐腐蚀性的合金元素是铬。只要铬的浓度不降到12％以下，钢将保持耐腐蚀性。在425℃与870℃之间，铬以碳化铬的形式沉淀到不锈钢的晶界中。碳化铬沉淀耗尽铬晶界附近的材料。这使得不锈钢易受晶间腐蚀的影响。随着时间的推移，晶间腐蚀将减小接收器壁的厚度，从而增加来自运行载荷的局部应力。在425℃与870℃之间运行还降低不锈钢的疲劳强度。
由熔盐压力和接收器的不均匀加热引起运行应力。压力引起的应力是很好理解的，但不均匀加热引起的应力较难量化。接收器在面向槽的部分上比背向槽的部分经受更高的通量浓度。具有较高通量的接收器的部分处于较高温度下，并且比背离槽的部分膨胀得更多。不均匀膨胀导致弯曲以及接收器支撑件附近高的点应力，在所述高的点应力处抵抗弯曲。
为评估不均匀加热产生的压力，进行了三部分的分析。首先，确定接收器上的通量分布。根据通量分布，从已知的热传递行为得到产生的温度分布。然后将产生的温度分布纳入接收器的有限元分析(FEA)以确定接收器上的应力。在图13和图14中示出了用于分析的参考坐标系，图13描述了槽的3维坐标系，图14描绘了接收器的角位置坐标系。
建模中所用的熔盐是具有60％NaNO3和40％KNO3的太阳能二元盐。可以在SolarPower Tower Design Basis Document,Zavoico,A.B.,SAND2001-2100,Albuquerque,NM:Sandia National Laboratories,2001中找到这种盐的属性。
命名：r，接收器上的半径；φ，接收器上的角位置；k，热传导率；控制体积吸收的热量；沿r的通量；沿φ的通量。
接收器上的通量。可以从使用射线追踪程序或分析方法来确定接收器上的通量。一些可用的射线追踪程序包括SolTrace和ASAP。对于这个实施例，构建了分析模型并将该分析模型与SolTrace结果相比较。该模型假定，可以用标准偏差为5mrad的高斯分布来表征光学误差。太阳的形状也被包括在内并且基于公布的轮廓。将收集器的边界角(rim angle)固定在82.5°并且聚光比在60到120的范围内变化。在图15中示出了产生的通量分布，图15提供了不同聚光比下接收器上的单位通量分布。
所示的通量是归一化的，使得接收器上的总通量(即曲线下方的区域)等于1m-2以允许对任何槽的孔径宽度和直射辐射强度(DNI)的分布进行调节。
接收器温度分布。一旦确定了通量，则可以建立接收器壁的周向温度分布。一些以前的建模工作仅考虑了沿接收器长度的温度分布而没有考虑周向温度分布。为确定周向分布，开发了有限差分模型。该模型基于柱面坐标中的热等式：
1 r ∂ ∂ r ( k r ∂ T ∂ r ) + 1 r 2 ∂ ∂ φ ( k ∂ T ∂ φ ) + ∂ ∂ z ( k ∂ T ∂ z ) + q · = ρc p ∂ T ∂ t
通过假设z方向(沿接收器的轴线)上的热传递是不显著的来简化该模型。基于这个假设，将z方向上的热传递设置为零并且将等式简化为以下等式：
1 r ∂ ∂ r ( k r ∂ T ∂ r ) + 1 r 2 ∂ ∂ φ ( k ∂ T ∂ φ ) + q · = ρc p ∂ T ∂ t
其中：
q · r = - k ∂ T ∂ r q · φ = - k r ∂ T ∂ φ
并且其中在图16中示出了差分控制体积。
在熔盐和接收器的内壁之间发生对流。在内接收器壁和外接收器壁之间，热传递是以传导的形式进行。将外接收器壁和玻璃套管之间的热传递建模为辐射。在接收器和玻璃套管之间存在高度真空；因此，忽略传导和对流。最后，传导和对流都发生在玻璃套管和周围空气之间。
该模型进行迭代计算，直到所有差分控制体积中的温度变化变成零。周向温度分布是流速、熔盐温度以及直射辐射强度(DNI)的函数。图17A和图17B示出了在所示的各种流速和熔盐温度下，在峰值日射水平下在具有80/π的聚光比的槽中沿接收器外表面的温度分布。具体地，图17A示出对于DNI＝1000W/m2、接收器外径＝90mm、聚光比＝80/π以及流体温度＝500℃为熔盐流速的函数的接收器壁温度；并且图17B示出对于DNI＝1000W/m2、接收器外径＝90mm、聚光比＝80/π以及流速＝8kg/s为熔盐温度的函数的(与壁最低温度的)接收器壁温差。尽管较低的流体温度产生圆周周围的稍微较大的温差时，但平均壁温度随着较高温度的熔盐而较高。在较高的温度下不锈钢的强度降低；因此，在该实施例中的模型结果是针对较高温度的熔盐呈现的。接收器的位移或弯曲的大小与最高温度和最低温度之间的差成正比。该差随着流速减小而增大。在图18中针对多个聚光比示出这一点，图18针对四个聚光比提供为流速的函数的接收器壁周向温差。
如以下描述的，应力和应变的大小与接收器的圆周周围的最高温度和最低温度之间的差成正比。该差随着流速的减小而增大。在图18中针对多个聚光比示出了这一点。
接收器FEA模型。SolidWorks仿真用于进行有限元分析(FEA)以对接收器中的应力建模。将接收器建模为具有壁的圆管，该圆管被表示为2维壳体。在模型中包括槽式接收器支撑件以提供机械边界约束，并且该支撑件不允许该支撑件处的旋转。一个支撑件不允许平移，而第二支撑件仅允许沿接收器轴线的平移。该平移能适应当接收器平均温度从环境温度上升到工作温度时发生的净热膨胀。接收器和槽式接收器支撑件在图19A中示出。图19A还示出了接收器中峰值应力的位置。
图19B示出最大应力与接收器的热侧和冷侧之间的温差具有线性关系。应变也是所关心的。图20针对四个接收器壁厚示出为接收器壁温差的函数的接收器承受的最大应变。
接收器使用寿命。用于制造接收器的吸收元件的主要材料是AISI 300系列不锈钢。由于该系列钢的耐腐蚀性和相对低的成本而选择该系列钢。在425℃与870℃之间的温度下，该300系列材料将经历碳化铬沉淀。如在AISI 316L(UNS S31603)不锈钢中一样，可通过减少钢中的碳浓度来使沉淀最小化。作为替代，可以增加另外的合金元素，该另外的合金元素将形成其他碳化物(而非碳化铬)。在AISI 316Ti(UNS S31635)不锈钢和AISI 321(UNSS32100)不锈钢中，钛用于该目的。
已经进行了研究以评估各种300系列不锈钢的腐蚀率。AISI 321不锈钢在二元太阳能盐中的腐蚀率为12.3mg/cm2-yr。将该腐蚀率外推30年，接收器壁将变薄0.5mm。第二个研究发现，AISI 316不锈钢在二元盐中的腐蚀率为10.2mg/cm2-yr。再次，将该腐蚀率外推30年，接收器壁厚将减小0.4mm。厚度的减小将增大接收器壁中的应力。
碳化铬沉淀还降低300系列不锈钢的疲劳强度。ASM手册将AISI 316不锈钢的容许应变定义为在不超过510℃的温度下对于1,000,000个循环为7×10-4。将该容许应变与图20中所示的结果相结合，给出了对于给定的壁厚在正常运行条件期间的最大接收器壁温差。图21中示出了该结果。
普遍的收集器环路用于评估正常运行条件是否将导致接收器失效。使用了以下参数：接收器尺寸＝90mm外径×3mm壁厚×4.7m长度；流体出口温度＝500℃；使用寿命＝30年；接收器材料＝AISI 316不锈钢；收集器热效率＝70％；DNI＝1000W/m2；二元太阳能盐；每个环路的太阳能收集器阵列(SCA)数＝6个SCA；每个SCA的接收器数＝24个接收器。
以上参数还用于确定维持给定的入口温度和出口温度所需的流速。在图22A中示出这些结果。然后将流速用于使用图18中所示的关系来确定周向温差。然后基于温差根据图20计算应变。在图22B中示出结果。计算的应变在7×10-4的最大值以下，该最大值在Elevated-Temperature Properties of Stainless Steels中给出。
然后，将每个环路的太阳能收集器阵列数减小到一个以说明当熔盐通过每个接收器时非常大的温度增加的影响。在图23中示出这些结果。对于高聚光比和每个接收器的温度上升，最大应变不超过7×10-4的最大值。
对于具有80/π的聚光比的抛物面槽、小于10℃的每个接收器的温度上升以及不超过510℃的熔盐温度，具有3mm壁厚的90mm直径的接收器将提供超过30年的使用寿命。
还需要额外的分析以验证接收器针对特殊运行条件的适当性。例如，在填充期间，熔盐造成周向温差。可以通过接收器预热来充分地减小该影响，特别是如果盐温度与壁温度之间的差小于50℃的话。接收器中盐的冻结和解冻也可以施加能使接收器破裂的非常高的应力。在该分析中不评估这些压力。
该分析表明，如此处描述的运行在高温下的AISI 300系列熔盐接收器具有足够的使用寿命。
实施例5：传热系数关系
这个实施例描述了在线性聚集太阳能集热***中支配热传递流体(HTF)的流动的各种属性、特征、几何形状和尺寸之间的关系。
质量流速和体积流速具有以下关系：
(1)
体积流速和流体速度具有以下关系：
(2)
其中，
V＝HTF速度
A＝流动横截面
将这个关系代入质量流关系得出：
(3)
该关系显示，对于相同的质量流速，在包括体积位移的线性接收器中的环形流将具有较快的流体速度，因为该接收器比没有体积位移的线性接收器具有更小的面积。泵送损失与流体速度成正比。这意味着，对于相同的流速，环形流将具有按比例更高的泵送损失。
对于合理的流速，流动将总是紊流的。因此，可以在Nusselt数(Nu)与Reynolds数之间使用以下关系：
(4) Nu∝Re0.8
Reynolds数由下式给出：
(5)
其中，
ρ＝HTF密度
D＝流动的特征尺寸
μ＝HTF动态粘度
Nusselt数由下式给出：
(6)
其中，
h＝HTF对流传热系数
k＝HTF导热系数
这产生以下关系：
(7)
可以将该关系重新整理为以下关系：
(8)
给定质量流速，速度具有以下关系：
(9)
其中，
D1＝接收管的直径
D2＝内部管的直径
由以下关系给出流动的特征尺寸：
(10) D＝D1-D2
将这些关系代入我们的函数得到：
(11)
对于该分析，可以假定流体属性是恒定的，并且因此：
(12)
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除非另作说明，可以使用所描述或所例示的部件的每种配方或组合来实施本发明。材料的具体名称旨在是示例性的，因为已知本领域普通技术人员可以不同地命名相同的材料。本领域的普通技术人员应认识到，在不依靠不适度的实验的情况下，可以在本发明的实践中采用与具体例示的方法、装置元件、原料以及综合方法不同的方法、装置元件、原料以及综合方法。任何这样的方法、装置元件、原料以及综合方法的所有已知技术的功能等同物旨在被包括于本发明中。每当在本说明书中给定一个范围例如温度范围、时间范围或组成范围时，旨在给定的范围中所包括的所有中间范围和子范围以及所有单个的值被包括在本公开内容中。
如本文中所使用的，“包括(comprising)”与“包括(including)”、“包含(containing)”或“特征在于(characterized by)”是同义词，并且是包容的或开放式的，并且不排除另外的、未列举的要素或方法步骤。如本文中所使用的，“由…组成(consistingof)”不包括权利要求要素中未指定的任何要素、步骤或组成部分。如本文中所使用的，“主要由…组成(consisting essentially of)”不排除实质上不影响权利要求的基本特征和创新特征的材料或步骤。在本文中对术语“包括(comprising)”的任何叙述(特别是在组成成分的描述中或在装置元件的描述中)应被理解为囊括主要由所列举的成分或元件组成的那些组成和方法以及由所列举的成分或元件组成的那些组成和方法。可以在缺少本文中未具体公开的任何一个或多个元件、一个或多个限制的情况下实施本文中适当地示例性描述的发明。
已采用的术语和表达用作描述性术语而非限制性术语，并且在这样的术语和表达的使用中，不旨在将所示出的和所描述的特征的任何等同物或该特征的部分排除在外，而是应认识到，在要求保护的发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解的是，尽管已经通过优选的实施方案和可选的特征具体地公开了本发明，但本领域技术人员可以采用本文中公开的概念的修改和变化，并且这样的修改和变化应当被认为在如所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种用于聚集太阳能收集器的线性接收器，所述接收器包括：
线性太阳能辐射吸收元件，所述线性太阳能辐射吸收元件沿第一长度延伸，其中，所述线性太阳能辐射吸收元件包括具有第一内部体积的中空结构和用于吸收入射的或反射的太阳能辐射的外表面；
线性体积位移元件，所述线性体积位移元件被安置在所述线性太阳能辐射吸收元件内并且沿所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第一长度的至少一部分延伸，其中，所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，并且其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；以及
第一热传递流体，所述第一热传递流体被设置在所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第三体积内，其中，所述第一热传递流体在所述线性太阳能辐射吸收元件内以第一流速流动并且不在所述第二体积内流动。
2.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述第二体积占据所述第一内部体积的选自15％至90％的范围的百分比。
3.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件沿所述第一长度的选自50％至100％的范围的百分比延伸。
4.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件包括实心结构或中空结构。
5.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件包括导电材料。
6.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件具有选自由圆形、卵形、椭圆形、矩形和正方形组成的组中的横截面形状。
7.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件被同心地安置在所述线性太阳能辐射吸收元件内。
8.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件包括两个或更多个线性体积位移元件。
9.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件具有的总体密度小于所述第一热传递流体的密度。
10.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件包括圆柱形管或实心结构。
11.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件包括第二中空结构。
12.根据权利要求11所述的线性接收器，其中，所述第二中空结构具有的壁厚是所述第二中空结构的直径的选自1％至40％的范围的百分比。
13.根据权利要求11所述的线性接收器，进一步包括设置在所述第二中空结构内的第二热传递流体。
14.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性体积位移元件包括能收缩的几何形状。
15.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性太阳能辐射吸收元件包括圆柱形管。
16.根据权利要求1所述的线性接收器，其中，所述线性太阳能辐射吸收元件具有选自由圆形、卵形、椭圆形、矩形和正方形组成的组中的横截面形状。
17.根据权利要求1所述的线性接收器，进一步包括安置在所述第三体积内的一个或多个紊流器。
18.根据权利要求1所述的线性接收器，进一步包括中空玻璃结构，其中，所述线性太阳能辐射吸收元件被安置在所述中空玻璃结构内。
19.一种太阳能收集器，包括根据权利要求1所述的线性接收器。
20.根据权利要求19所述的太阳能收集器，其中，所述太阳能收集器包括被安置以将入射的太阳能辐射反射到所述线性接收器上的线性聚集太阳能收集器、反射抛物面槽式太阳能收集器或反射线性菲涅尔太阳能收集器。
21.一种收集聚集的太阳能辐射的方法，所述方法包括以下步骤：
设置沿第一长度延伸的线性太阳能辐射吸收元件，其中，所述线性太阳能辐射吸收元件包括具有第一内部体积的中空结构和用于吸收入射的或反射的太阳能辐射的外表面；
在所述线性太阳能辐射吸收元件内设置线性体积位移元件，所述线性体积位移元件沿所述线性太阳能辐射吸收元件的第一长度的至少一部分延伸，其中，所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，并且其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；以及
使第一热传递流体在所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第三体积内流动，其中，所述第一热传递流体以第一流速在所述线性太阳能辐射吸收元件内流动并且不在所述第二体积内流动；以及
将所述线性太阳能辐射吸收元件暴露于聚集的太阳能辐射，其中，所述第一流速足以维持所述线性太阳能辐射吸收元件的最大周向温差以实现所述线性太阳能辐射吸收元件中的目标量的弯曲、应力和/或应变。
22.一种制造聚集太阳能收集器的方法，所述方法包括以下步骤：
设置沿第一长度延伸的线性太阳能辐射吸收元件，其中，所述线性太阳能辐射吸收元件包括具有第一内部体积的中空结构和用于吸收入射的或反射的太阳能辐射的外表面；
在所述线性太阳能辐射吸收元件内设置线性体积位移元件，所述线性体积位移元件沿所述线性太阳能辐射吸收元件的所述第一长度的至少一部分延伸，其中，所述第一内部体积包括被所述线性体积位移元件占据的第二体积和未被所述线性体积位移元件占据的第三体积，并且其中所述第二体积占据所述第一内部体积的大于15％的百分比；
使第一热传递流体以第一流速在所述第三体积内在所述线性太阳能辐射吸收元件的内表面与所述线性体积位移元件之间流动，其中，所述第一热传递流体不在所述第二体积内流动；以及
将所述线性接收器安置在一个位置以从一个或多个反射表面接收聚集的太阳能辐射。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述一个或多个反射表面包括一个或多个抛物面槽式反光镜或线性菲涅尔太阳能收集器的一个或多个反光镜。
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