专利名称：太阳能蒸汽发生器的制作方法
技术领域：
本公开大体涉及蒸汽发生器，且更具体而言，涉及这样一种太阳能蒸汽发生器其 具有包括由具有内部带螺旋形槽线的(rifled)轮廓的管路的竖直面板构成的锅炉水壁的 接收器。
背景技术：
本领域中已知的是使用太阳能来为发电系统供以动力，如专利申请 似.2005/01沈170和美国专利似.4，387，574(它们通过引用而结合在本文中)中所示。如 图1所示，一种这样的由太阳能供以动力的发电系统10提供了多个镜面或者定日镜12，其 将太阳14的太阳辐射能反射至设置在塔18上的太阳能接收器16上。太阳能接收器16包 括接收穿过其中的热传递流体的曲折的管道。热传递流体从塔18输送到蒸汽发生器20， 在蒸汽发生器20中，从热传递流体中将热能交换至在单独的流体回路22中循环的水。热 传递流体由此在蒸汽发生器20中被冷却，并且然后可被再循环回到接收器16，以便进行再 热。在蒸汽发生器20中被加热的水形成蒸汽，该蒸汽被循环至涡轮机发电机24，即，联接至 发电机观上的涡轮机26。蒸汽膨胀并且使涡轮机沈和发电机观旋转，且从而产生电力。 可使蒸汽穿过冷凝器30，冷凝器30与冷却塔32结合起来冷凝蒸汽，以便形成热水，该热水 在预热器34中被进一步加热，并且可通过泵36被循环回到蒸汽发生器20，以便再次使用。 可使用泵38来循环热传递流体，且可分别使用罐40，42在由太阳能接收器16加热之前以 及之后存储热传递流体。本发明提供了用于改进太阳能接收器以及太阳能功率蒸汽发生设备的能量效率 的特征和构造。
发明内容
根据本文所说明的各方面，提供了一种用于太阳能发电系统的太阳能接收器。该 太阳能接收器包括接收穿过其中的流体的管道的面板，由此将太阳能引导到管道上以便加 热流体。管道中的各个具有带螺旋形槽线的内表面。根据本文所说明的其它方面，存在一种太阳能发电系统，其包括设置在塔上以便 接收太阳能的太阳能接收器。太阳能接收器包括用于接收穿过其中的流体的管道的至少一 个面板。蒸发器管道中的各个具有带螺旋形槽线的内表面。至少一个太阳能反射器将来自 太阳的辐射热量反射到蒸发器上以便加热流体。通过以下附图和详细描述例示了以上所述的以及其它特征。
现在参看附图，其是示例性实施例，且其中同样的元件类似地编号图1是现有技术太阳能蒸汽发生系统(solar steam generation system)的示意 图；图2是根据本发明的太阳能发电系统的太阳能接收器部分的示意图；图3是根据本发明的太阳能蒸汽发生系统的方框图；图4是由竖直地设置的带螺旋形槽线的管道的阵列形成的图2和3的太阳能蒸汽 发生系统的蒸发器的面板的平面图；图5是沿着线A-A得到的图4的带螺旋形槽线的管道的截面图；且图6是沿着线B-B得到的图4的带螺旋形槽线的管道的截面图。
具体实施例方式参看图2，显示了根据本发明的太阳能接收器100设置在塔102上、太阳能收集器 104(诸如镜面或者定日镜)的场之中。该太阳能收集器104布置在塔附近、以便将来自太 阳106的太阳能或者太阳辐射引导至太阳能接收器。定日镜104可具有弯曲的或者平坦的 构造。各个定日镜可为可响应于太阳的相对位置独立地调节的。例如，定日镜可布置成阵 列，由此各个阵列的定日镜由构造成以便探测和追踪太阳的相对位置的一个或多个控制装 置(未显示)来单独地控制，或者与阵列的其它定日镜一起由该一个或多个控制装置(未 显示)控制。因而，定日镜104可根据太阳106的位置来调节，以便将日光反射到接收器 100上，由此加热接收器中的传递流体。在本发明的一个实施例中，在图3中显示了太阳能蒸汽发生系统110，由此水在太 阳能接收器中被加热，以便产生用于使蒸汽涡轮机发电机112旋转的蒸汽。太阳能接收器 110包括接收来自输入管112的水(或者其它流体)的管道(或者管路)的至少一个面板。 如以下将更详细地描述的，太阳能接收器110可包括执行不同的功能以便将太阳的辐射热 量传递到流过管道的水和/或蒸汽的多个面板。如图2中所示，定日镜104将太阳的太阳辐射引导到太阳能接收器100上，且更具 体而言引导到具有流过其中的水和/或蒸汽管道的面板上。辐射热量会提高从中流过的水 的温度，以便产生高温蒸汽。然后该蒸汽通过输出管114被提供给发电系统，例如涡轮机发 电机112。具体而言，如图3中所示，蒸汽被提供至蒸汽涡轮机126，蒸汽涡轮机1 为发电 机128供以动力，以便产生电力146。图3示意性地示出了本发明的发电部分110，由此更详细地显示了太阳能接收器 100。如图所示，太阳能接收器包括三个主构件节热器116、蒸发器118以及过热器120。这 些构件中的各个包括接收水并且起作用来提高流过相应的管道的水的温度的至少一个管 道124的至少一个面板122(见图4-6)。典型地，各个构件116，118，120包括多个面板，由 此各个面板包括多个管道124，类似于图4-6所示的那样，这将在下文中更加详细地描述。节热器116接收来自蒸汽涡轮机126的循环的水。水穿过管道的至少一个面板， 如图4所示。由太阳能收集器104提供的辐射热量被引导至节热器的管道的面板上，节热 器预热供给通过节热器的管道的水。从节热器起，水流被引导至蒸汽鼓130。在蒸汽鼓中，进入的水通过水分配集管(未显示)沿着鼓的整个长度分配。分配集管中的喷嘴(未显示)沿向下方向引导进入的 水，以便最小化紊流并且有助于循环。水与鼓130中的水132混合，并且被引导至下水管 134。下水管134始于蒸汽鼓处并且终止于蒸发器入口 136处，将水引导至蒸发器118。循环泵138将再循环的水132从设置在蒸发器面板(一个或多个)(即水壁)的 顶部处的蒸汽鼓130泵送到蒸发器面板(一个或多个)的底部入口。该循环泵138针对所 有负载条件提供流到蒸发器面板(一个或多个)的冷却水的恒定的流动。这允许对负载变 化快速响应。来自蒸发器118的饱和蒸汽/水混合物在137处进入蒸汽鼓130，并且被引导至 两排分离器(未显示)。蒸汽在进入过热器段120之前通过饱和蒸汽出口 140离开蒸汽鼓 的顶部。该鼓130装备有安全阀、排放阀、压力传送器、压力计、水位计和水位指示器(未显 示)°从蒸汽鼓130起，蒸汽通过过热器入口 142被引导至过热器120，且然后被引导到 过热器面板122上。从过热器出口 144起，蒸汽被引导至蒸汽线路114。过热器出口装备有 以下物品安全阀，ERV和起动排放口，排出阀，马达操作的截止阀，以及压力、流量和温度 仪器(未显示)。通过蒸汽线路114提供至蒸汽涡轮机的蒸汽膨胀，并且使涡轮机1 和发电机1 旋转，从而在146处产生电力。离开涡轮机的蒸汽被供给回到输入管/线路112，以便循环 通过太阳能接收器100。太阳能发电系统构思了具有设置在涡轮机1 和太阳能接收器100 的输入管112中间的冷凝器141，以便冷却离开的涡轮机蒸汽，以将蒸汽冷凝成液体形式。如人们将理解的，图2和3中所显示的太阳能发电系统110的实施例提供了单个 流体循环，由此太阳能接收器100起到用于通过由太阳能接收器104的场提供的太阳能直 接加热水和/或蒸汽的锅炉的作用。不像图1中所示的包括两个流体循环的现有技术的太 阳能发电系统10，图2和3中所示的实施例提供了产生功率的更高效的构造。此外，虽然图2和3中所示的太阳能发电系统110包括用于预热水的节热器116以 及提供给太阳能接收器100的过热器120，但本发明构思了节热器和/或过热器可能不是必 需的，且因此可从太阳能接收器100的构造中去除。没有节热器116和/或过热器120的 这种构造构思了提供到蒸发器118的面板(一个或多个)上的辐射能足以加热从中流过的 水和/或蒸汽来产生期望的量和质量的蒸汽。图4示出了之前引用的用于蒸发器118的管道124的面板122。如所述的，蒸发器 1180包括至少一个这样的面板122(如将描述的)。已经发现，面板122的构造和特征提供 了从反射到面板122上的太阳能与流过管道124的水和/或蒸汽的非常高效的热传递(特 别是结合于特定的质量流率中(即与其结合))。参看图4-6，竖直地设置的面板122包括通过入口歧管150和出口歧管152以流体 连通的方式互连的多个竖直地设置的管道。如图5和6中最佳地示出，管道124(即管道) 具有内部螺旋形槽线154，即设置在管道124的内壁158中的螺旋形凹槽156。赋予在管路 124中向上或者向下流动的水/蒸汽混合物的旋流动作使得水保持在管道124的内壁158 上，由此增强了从管道壁124到水/蒸汽混合物的热传递性能。该增强的性能减小了避免 偏离泡核沸腾(DNB)所需的水/蒸汽的流率，这就针对来自反射的太阳能的辐射热量对管 道壁1 提供了保护。
管道124的螺旋形槽线使得能对水/蒸汽进行高效地热传递，特别是当管路竖直 地定向时。竖直地定向的管路1 在结构上优于管路的倾斜布置。然而，人们将了解到，虽 然不是理想的，但是本发明构思了面板122具有带有内部螺旋形槽线的倾斜的管路124。进行了一系列的试验性测量来支持针对蒸汽发生使用带螺旋形槽线的管路124， 以便确定这种管路的操作极限。基于这些结果，使用竖直地定向的带螺旋形槽线的管路的 锅炉设计可安全地操作。已经确定了使用在主构件116，118，120中所使用的竖直地定向的带螺旋形槽线 的管路对于当水/蒸汽质量流量大于0. 2xl061b/hr/ft2以避免DNBjK /蒸汽的压力在 100-2850psia的范围中以及管道的外侧上的辐射热通量超过185000Btu/hr/ft2的情况特 别有利。另外的益处是入口水流率使得确保了水/蒸汽混合物的出口蒸汽含量小于80% 蒸汽。最优地，带螺旋形槽线的管道的外侧直径是0.75" -1.25"。人们将了解，管道124 的螺旋形槽线的构造可为各种构造，包括可从商业制造商处获得的构造。图3中的循环泵 138从具有用来针对以上质量流量供应必要的流的容量的蒸汽鼓130中循环水。人们将了解，虽然蒸发器120显示和描述为包括具有内部螺旋形槽线的多个竖直 地设置的管路，节热器118和过热器122也可具有类似的构造。虽然太阳能发电系统110的实施例包括节热器116，但是本发明构思了定日镜/镜 面的场提供了足够的辐射热量，以因此消除对节热器的需要。虽然已经参照各示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可做 出各种变化，且可用等效物代替其元件而不会偏离本发明的范围。此外，可做出许多修改， 以便使特定的情形或者材料适于本发明的教导而不会偏离本发明的实质范围。因此，预期 的是本发明不限于作为构思来实施本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，而是本发明 将包括落在所附的权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于太阳能发电系统的太阳能接收器；所述太阳能接收器包括接收从中穿过的流体的管道的面板，由此，太阳能被引导至所述管道上以便加热所述 流体，所述管道中的各个具有带螺旋形槽线的内表面。
2.根据权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述管道定向成基本竖直。
3.根据权利要求2所述的太阳能接收器，其特征在于，所述流体具有大于0.2xl06lb/ hr/ft3的质量流量。
4.根据权利要求3所述的太阳能接收器，其特征在于，所述管道内的流体的压力大约 在100-2850psia的范围中。
5.根据权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述管道的面板是蒸发器。
6.根据权利要求4所述的太阳能接收器，其特征在于，太阳能接收器起到节热器、蒸发 器和过热器中的至少一种的作用。
7.根据权利要求4所述的太阳能接收器，其特征在于，所述管道的外侧上的辐射热通 量超过 18500btu/hr/ft2。
8.根据权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述面板包括用于接收所述流 体的输入歧管和用于输出所述流体的输出歧管，其中，所述管道的输入端与所述输入歧管 流体连通，且所述管道的输出端与所述输出歧管流体连通。
9.根据权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述流体是水或者水与蒸汽组 合中的一种。
10.一种太阳能发电系统，包括设置在塔上以便接收太阳能的太阳能接收器，所述太阳能接收器包括用于接收从中穿 过的流体的管道的至少一个面板，所述管道的各个具有带螺旋形槽线的内表面；和用来将来自太阳的辐射热量反射到管道的至少一个面板上以便加热所述流体的至少 一个太阳能反射器。
11.根据权利要求10所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述管道定向成基本竖直。
12.根据权利要求11所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述流体具有大于 0. 2xl06lb/hr/ft3 的质量流量。
13.根据权利要求12所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述管道内的流体的压力 大约在100-2850psia的范围中。
14.根据权利要求13所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述管道的外侧上的辐射 热通量超过 18500btu/hr/ft2。
15.根据权利要求10所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述面板包括用于接收所 述流体的输入歧管和用于输出所述流体的输出歧管，其中，所述管道的输入端与所述输入 歧管流体连通，且所述管道的输出端与所述输出歧管流体连通。
16.根据权利要求10所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述流体是水或者水与蒸 汽组合中的一种。
17.根据权利要求10所述的太阳能发电系统，其特征在于，管道的至少一个面板是蒸发器。
18.根据权利要求10所述的太阳能发电系统，其特征在于，所述至少一个面板的管道 竖直地定向。
19.根据权利要求17所述的太阳能发电系统，其特征在于，还包括用于从输入源以及 所述蒸发器的输出接收流体以及将液体提供至所述蒸发器的输入的蒸汽鼓，并且还包括用 于从所述蒸汽鼓接收蒸汽的过热器，所述过热器包括具有带螺旋形槽线的内表面以便加热 所述蒸汽的多个管道。
20.根据权利要求10所述的太阳能发电系统，其特征在于，还包括用于接收来自所述 太阳能接收器的蒸汽以使发电机旋转来提供电力的蒸汽涡轮机。
全文摘要
一种太阳能发电系统包括设置在塔上、接收从太阳能收集器的场反射的辐射热量的太阳能接收器。该太阳能接收器包括具有多个竖直地定向的管道以形成用于接收流体(诸如水和/或蒸汽)的面板的蒸发器，其中，管道具有带螺旋形槽线的内表面。管道内的流体具有大于0.2x106lb/hr/ft2的质量流量、处于100-2850psia的范围中的压力，其中，管道的外侧上的辐射热通量超过18500btu/hr/ft2。
文档编号F22B21/02GK102046969SQ200980114106
公开日2011年5月4日 申请日期2009年4月13日 优先权日2008年4月16日
发明者B·泰根, M·帕科斯 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司