用于太阳热能设备的接收器和包括所述接收器的太阳热能设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种太阳能接收器，该接收器与中央塔式接收器相比具有更高的产出。所述接收器包括多个吸收器管道(2)，用于从光导器(8)吸收入射能量，光导器(8)适于在太阳能接收器聚光焦点(11)处捕获太阳辐射，吸收器管道(2)被连续地并且平行地布置在横向于吸收器管道(2)的纵向轴线的方向上的相邻位置处，所述管道包含循环的传热流体。所述纵向轴线被包含在至少两个平面内，定义了以交替方式并且部分重叠地布置的至少两排(3，6)吸收器管道(2)。所述接收器还包括处于真空条件下的容器(4，5)，以用于封装吸收器管道(2)并减少对流损失。
【专利说明】用于太阳热能设备的接收器和包括所述接收器的太阳热能设备
【技术领域】
[0001]尽管涉及用于兰金循环的直接蒸汽生产设备，或根据布雷顿循环或斯特林循环的空气或气体加热设备，并且还涉及使用传热流体以在随后的换热器中生产蒸汽的设备，但本发明的目的包含在太阳热能技术范围内，尤其是太阳热能发电厂领域。
[0002]本发明的目的涉及一种用于太阳热能设备的接收器，以及包括所述接收器的太阳热能设备。
【背景技术】
[0003]太阳热能技术的基本原理基于聚集太阳辐射以加热传热流体并从而产生电的概念。
[0004]太阳能的获取及其聚集是发展太阳热能设备的主要挑战。基本上，存在两种类型的聚光技术:点聚光或线聚光。线聚光更易于安装，因为存在更少的自由度，然而聚光系数低并且因此温度可能低于点聚光。
[0005]焦点聚光器领域存在两种类型的聚光器，抛物线盘式(Parabolic Disc)聚光器或中心塔式(Central Tower)聚光器,并且在线聚光技术中，抛物线圆柱形聚光器(ParabolicCylindrical Concentrator (PCC))是最古老并且发展最好的聚光系统,而目前,各种更新版本不断涌现，例如线性菲涅耳聚光器(Linear Fresnel Collectors (LFC))。
[0006]中央塔式接收器技术不如抛物线圆柱形聚光器发展的成熟，但是它具有高生产量和低成本的潜力。该技术自二十世纪八十年代即已经安装了原型机。第一个商业设备是PS10，其已经以优异的性能运转了 5年时间。当前，在成本和性能方面已经做出了相当多的改进，使得该技术在中期极其具有竞争力。
[0007]中央塔式接收器技术的操作基于使用多个双轴跟踪反射镜或定日镜，它们捕获直射阳光并将其聚集到位于塔顶的接收器中。在该接收器内部循环的流体被加热并用在布雷顿、兰金或斯特林循环中，以产生电。也可以储存热能以在没有阳光的时候(夜晚或多云的日子里的过渡时期内)减少用电。
[0008]专利文件ES8503114、ES8506393和W0200812390描述了这种中央塔式接收器类型的太阳热能设备的一些例子。
[0009]中央塔式接收器设备具有许多缺陷，其中的一些缺点如下:
[0010]-由于需要将接收器安装在塔顶而导致的高安装成本；
[0011]-由于涉及太阳光线与定日镜的光轴不平行这一事实的多个光学和几何效应导致性能降低，因此，设备的效率被所谓的余弦效应妨害，其可以通过增加塔的高度来减轻，但会因而增加前文所述的安装成本；
[0012]-难以提供基本均匀的辐照分布；和
[0013]-由于大气透过率以及接收器溢流导致的损失的事实，定日镜不能被设置得过于远离塔，因此场地中的定日镜的数目减少，在接收器溢流的情形中，由于太过远离塔的定日镜在接收器中产生过宽的斑点(patch)的事实，因此稍微地降低了能量集中度。
[0014]此外，前述文献还描述了基于管道构造的塔式接收器，其中，管道中填充有被入射的太阳光加热的传热流体。
[0015]本发明的目的是消除上述缺点并提供一种具有改进的性能和产出率的用于太阳热能设备的接收器。
【发明内容】
[0016]本发明的初步目的是提供一种用于太阳热能设备的接收器，其中，所述接收器包括在内部包含传热流体的多个吸收器管道，传热流体通过吸收器管道循环。吸收器管道适于以大致垂直于其纵向轴线的方式接受辐射。吸收器管道根据一个或多种模块布置，所述模块包括在横向于所述纵向轴线的方向上的相邻位置处连续地布置的多个吸收器管道，其中，每个模块的吸收器管道的纵向轴线被包含在至少两个平面中，因此特定的吸收器管道的纵向轴线与紧挨着它相邻的吸收器管道的纵向轴线不被包含在相同的平面内。前面的描述等同于以交替的方式并且在由所述纵向轴线定义的平面的法线方向上部分重叠的方式将吸收器管道布置成至少两排，以确保基本上所有入射辐射落到吸收器管道中的一个上。
[0017]优选地为具有圆形截面的圆柱形的吸收器管道，被优选地以垂直的方式布置，以避免由于其自身重量和传热流体的重量而导致的弯曲变形。此外，接收器可包括收集器管道，所有吸收器管道都被连接到所述收集器管道，无论是上部还是下部，以收集已经在所有吸收器管道中被加热的传热流体，从而将所述传热流体引导至换热器或直接引导至涡轮机。
[0018]每一个吸收器管道将优选地被固定至其相邻的吸收器管道以防止它们分离并使得入射辐射在吸收器管道之间逃逸并未能施加到所述吸收器管道上。连接的例子为夹具或焊接。
[0019]吸收器管道优选地由钢或具有适当传导性和抗耐性的任意材料制成。
[0020]吸收器管道优选地被封装在处于真空条件下的透明的容器(优选地由玻璃制成)中，以消除对流损失。适于本发明的目的的真空低于10_7托。根据一个实施例，至少一个吸收器管道被容纳在至少一个所述容器中。在这种情况下，两排吸收器管道是优选的选择。根据另一实施例，具有多个这种容器，每个容器适于容纳一个吸收器管道。根据该第二实施例，容器由与吸收器管道同轴的管道构成，并且吸收器管道被布置的排的数目、吸收器管道的直径和容器的直径以下述方式相关:它们连续地确保在入射辐射垂直地施加在管道的表面上和在相对于所述垂直成某些偏斜角的情况下，入射辐射施加在吸收器管道中的任一个上，即，辐射不会传送到与吸收器管道相对的半空间(sem1-space)而不落到任一吸收器管道上。吸收器管道排的优选数目为三排。
[0021]在优选实施例中，吸收器管道覆盖有吸收剂涂层，该涂层能够承受550°C以上的温度。通过举例的方式，处于真空条件下的这些管道可被覆盖TSSS类型的吸收剂涂层(其代表“厚度敏感光谱选择性涂层(Thickness Sensitive Spectrally Selectivecoatings)”)，该涂层具有高吸收率(95%)和低发射率(8 %)，而不处于真空条件下的管道可覆盖有涂料或TISS类型的涂层(其代表“厚度不敏感光谱选择性涂层(ThicknessInsensitive Spectrally Selective coatings)，，)。[0022]接收器还可以包括分色反射器，该分色反射器对于太阳光谱比对于吸收器管道(表面温度高达700°C )的发射光谱基本上更加透明，使得太阳辐射能够大部分地穿过反射器，施加在吸收器管道上以加热它们，例如，加热至约700°C，此外，温度高达700°C的管道发射的辐射大部分可以被分色反射器反射回管道，从而提高吸收性能。
[0023]设有上文所述的那种接收器的太阳能设备构成了本发明的第二目的。
[0024]本发明中的接收器适于在所述设备中起作用，所述设备包括太阳能聚光收集器，该收集器设有焦点和用于在两条轴线上进行追踪的装置，所述收集器在类型上可以多种多样:尤其是它们可以同时是传统类型(抛物面收集器或具有菲涅耳透镜)和高级类型，所述高级类型使用阿尼特(anidolic)光学器件并且适于在无余弦效应的情况下直接追踪太阳。
[0025]太阳能设备还可包括各个柔性光导器，所述光导器适于在第一端部收集在每个焦点处的辐射并在尽可能无能量损失的情况下将所述辐射传送至接收器，优选地使辐射大致沿法线方向施加到吸收器管道的表面。光导器将优选地使辐射相对于管道的纵向轴线从相对的位置施加在吸收器管道上，以防止吸收器管道上的热弹性应力。在这种情况下，交替地布置成至少两排的管道具有附加的优点，即从管道的一侧施加的辐射不会传送至相对侧，在相对侧它可能损坏光导器。
[0026]所使用的优选的光导器具有高数值孔径。特别地，数值孔径将优选地大于0.48。PCF类型的光导器在这种情况下是特别优选的。
[0027]为了获得增加的辐射，设备可优选地包括透镜以将至少一组光导器的辐射组合到至少一个组合光导器中。组合光导器也可以被组合，等等。
[0028]本发明中的设备还将优选地包括接收器外壳，以保持用于光导器的接收器。这种中心塔式接收器设备配置的优点在于，接收器位于基本上被设置在地面水平的结构中，并且不在塔的顶部，从而节省了成本并简化了安装。
[0029]本发明的太阳热能设备可在根据已知技术中的任一种技术中运用。通过这种方式，接收器管道中的传热流体可以是空气(如果该设备适于用在布雷顿循环中)；或水(该设备适于用在兰金循环中)；或氦或氢(该设备适于用在斯特林循环中)；以及盐(其中该设备配有用于在盐与水之间交换热量的换热器并从而作为兰金循环操作)。
[0030]本发明的设备还可以包括存储装置，用于临时存储来自传热流体的、尚未被转化为电的能量。基于设备的类型，存储装置可以是:热空气(在布雷顿循环的情况下)、饱和压缩蒸汽(在使用水的兰金系统的情况下)，或高温盐(在使用盐的兰金循环的情况下)。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]为补充说明书并更好地理解本发明的特性，根据本发明的实际的实施方式的优选例子提供了一组附图，其构成该说明书的整体部分，并且仅用于解释而非限定，其中:
[0032]图1示出了根据本发明的太阳热能设备的示意图。
[0033]图2示出了接收器的第二实施例的俯视示意图，其包括处于真空条件下以容纳多个吸收器管道中的每一个管道的第一容器。
[0034]图3示出了图3中的实施例的俯视示意图，其额外地包括分色反射器。
[0035]图4示出了接收器的第三实施例的俯视示意图，其包括处于真空条件下以便每个都容纳一吸收器管道的容器。
[0036]图5示出了图5中的实施例的俯视示意图，其也包括分色反射器。
【具体实施方式】
[0037]以下提供本发明的优选实施例的描述，并以附图1-5为补充。
[0038]根据本发明的太阳热能设备如图1所示，并且包括聚光的太阳能收集器(11)，该收集器设有焦点(未示出)和在两个轴线上的追踪装置(未示出)。该设备另外包括接收器(I)，该接收器(I)进而包括多个吸收器管道(2)(见图2至6)，吸收器管道(2)在它们的内部包含传热流体，传热流体可通过所述吸收器管道(2)的内部循环。
[0039]继续参见图2至5，吸收器管道(2)是具有圆形横截面的圆柱形并且按照一种或多种模块(module)垂直地布置，包括在横向于纵轴方向的方向上在相邻位置连续地布置的多个吸收器管道(2)，每个模块的吸收器管道(2)的纵轴被包含在至少两个平面中，从而特定的吸收器管道(2)的纵轴与紧挨着的相邻的吸收器管道(2)的纵轴不包含在相同的平面内。前面的描述等同于将吸收器管道(2)以交替的方式布置成至少两排(3，6)，并且在由纵轴定义的平面的法线方向上部分地重合，以确保所有的入射辐射基本上施加在吸收器管道
(2)的其中一个上。
[0040]吸收器管道(2)由钢制造或由具有适当的传导性和抗耐性的材料制成，并被封装在处于10_7托的真空条件下的玻璃容器(4，5)中。根据第一实施例，一个或多个这样的第一容器(4)中的每一个都容纳有多个吸收器管道(2)，其中吸收器管道(2)被布置成两个第一排(3)。根据第二实施例，所述容器(5)为第二管状容器(5)并且与吸收器管道(2)同轴，其中每个吸收器管道(2)被容纳在第二容器(5)中。吸收器管道(2)被布置成三个第二排⑶。
[0041]接收器(I)还包括分色反射器(7)，使得太阳辐射可大部分地穿过所述分色反射器(7)并施加在吸收器管道(2)上以加热它们，并且由吸收器管道(2)发出的辐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)，从而提高它们的吸收性能。
[0042]太阳能设备还包括各个柔性光导器(8)，光导器(8)适于在一个端部(未示出)处收集聚光元件的每个管道中的辐射，并适于以最小可能的能量损失将所述辐射传递至接收器(I)，使所述辐射沿所述吸收器管道(2)的表面上的大致法线方向通过与第一端部相对的第二端部(12)施加到吸收器管道(2)上。所述光导器(8)使辐射相对于吸收器管道(2)的纵轴从相对的位置施加到吸收器管道(2)上。
[0043]所使用的光导器(8)具有高数值孔径，尤其是PCF类型的那种。
[0044]为了获得更高的辐射度，所述设备包括透镜(14)，以用于将至少一组光导器(8)的辐射组合到至少一个组合光导器(15)中。此外，组合光导器(15)等也可以被组合。
[0045]本发明的设备还包括用于接收器的外壳(未示出)，该外壳容纳用于光导器(8)和/或如果合适，用于组合光导器(15)的接收器(I)，其中，接收器(I)被主要地设置在地面上。
[0046]该设备还包括存储装置(16)，以临时地存储来自传热流体的、尚未被转化为电的能量。某些光导器(8，15)可以被引导至存储装置(16)以加热工作流体，或来自接收器(I)的所述流体的一部分可以被存储以供之后使用。[0047]基于设备的类型，存储装置(16)可以是:
[0048]-热空气/气体罐，在来自吸收器管道(2)的传热流体为空气或气体的情况下，其中所述空气或气体根据布雷顿循环或斯特林循环被供给至燃气轮机(未示出)；
[0049]-压缩饱和水蒸汽罐，在来自吸收器管道(2)的传热流体为是水，并且根据兰金循环在所述水被转化为蒸汽时向蒸汽轮机(未示出)供给的情况下，或者在传热流体是通过换热器(未示出)加热水以用于相同目的的液体盐的情况下；
[0050]-高温盐，在传热流体是用于兰金循环的盐的情况下。
【权利要求】
1.一种用于太阳热能设备的接收器(I)，包括多个吸收器管道(2)以从施加在所述吸收器管道(2)上的太阳辐射吸收能量，所述多个吸收器管道(2)根据一个或多个模块布置，所述模块包括被连续地并且平行地布置在横向于吸收器管道(2)的纵向轴线的方向上的相邻位置处的多个所述吸收器管道(2)，其中所述吸收器管道(2)在其内部包括传热流体，传热流体能够在所述吸收器管道(2)的内部循环，其中，每个模块的吸收器管道的纵向轴线被包含在至少两个平面内，从而特定的吸收器管道(2)的纵向轴线与紧邻的吸收器管道(2)的纵向轴线不包含在相同的平面内，从而定义了至少两排(3，6)吸收器管道(2)，所述至少两排(3，6)吸收器管道(2)交替地布置并且在由吸收器管道(2)的纵向轴线定义的所述平面的法线方向上部分地重叠，使得基本上全部入射辐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)被包括在处于真空条件下的透明的容器(4，5)中。
2.根据权利要求1所述的用于太阳热能设备的接收器(I)，其特征在于，至少包括处于真空条件下、被布置成容纳至少多个吸收器管道(2)的第一容器(4)。
3.根据权利要求1或2所述的用于太阳热能设备的接收器(I)，其特征在于，包括两个第一排⑶吸收器管道⑵。
4.根据权利要求1或2所述的用于太阳热能设备的接收器(I)，其特征在于，至少一个吸收器管道(2)被封装在处于真空条件下的单独的第二容器(5)中。
5.根据权利要求4所述的用于太阳热能设备的接收器(I)，其特征在于，所述第二容器(5)是管状的、由玻璃制成、具有圆形截面、与相应的吸收器管道(2)同轴。
6.根据权利要求4或5所述的用于太阳热能设备的接收器(I)，其特征在于，吸收器管道⑵的直径、容器(4，5)的截面尺寸和吸收器管道(2)的排(3，6)的数目以如下方式相关联:基本上全部入射辐射落到任意吸收器管道(2)上，从而所述辐射不会传送到与所述吸收器管道(2)相对的半空间并因此未能施加到任一吸收器管道上。
7.根据权利要求4或6所述的用于太阳热能设备的接收器(I)，其特征在于，吸收器管道⑵的排(3，6)的数目为三。
8.根据权利要求1所述的用于太阳热能设备的接收器(I)，其特征在于，还包括至少一个分色反射器(7)，该分色反射器(7)对于太阳光谱比对于吸收器管道(2)的发射光谱基本上更加透明，使得太阳辐射能够更大程度地穿过分色反射器(7)并施加在吸收器管道(2)上以加热所述吸收器管道(2)，此外，由吸收器管道(2)发出的辐射能够被分色反射器(7)反射回吸收器管道(2)，从而提高吸收性能。
9.一种太阳热能设备，包括至少一个具有两个焦点的太阳能聚集收集器，该收集器用于会聚太阳辐射到所述焦点，其特征在于，所述设备还包括权利要求1-8中任一项所述的接收器(I)。
10.根据权利要求9所述的太阳热能设备，其特征在于，该设备还包括各个柔性光导器(8)，所述光导器(8)在一个端部适于在每个焦点处收集辐射并将所述辐射朝向接收器(I)传送，使所述辐射施加在接收器(I)上。
11.根据权利要求10所述的太阳热能设备，其特征在于，光导器(8)适于以大致垂直于吸收器管道(2)的外表面的方式使辐射施加在接收器的吸收器管道(2)上。
12.根据权利要求10或11所述的太阳热能设备，其特征在于，光导器(8)适于相对于吸收器管道(2)的纵向轴线从相对的位置使辐射施加在吸收器管道(2)上，以避免吸收器管道(2)中的热弹性应力。
13.根据权利要求10所述的太阳热能设备，其特征在于，光导器(8)具有大于0.48的数值孔径。
14.根据权利要求10或13所述的太阳热能设备，其特征在于，还包括透镜(14)，以将至少一组光导器(8)的辐射组合到至少一个组合光导器(15)中。
15.根据权利要求9所述的太阳热能设备，其特征在于，接收器(I)适于根据从下列循环中选出的至少一种循环将能量从传热流体转化为电: 布雷顿循环 兰金循环；和 斯特林循环。
16.根据权利要求9所述的太阳热能设备，其特征在于，还包括存储装置(16)，以临时地存储来自传热流体的、尚未被转化为电的能量。
17.根据权利要求16所述的太阳热能设备，其特征在于，存储装置(16)至少从下列装置中选择: -热空气/气体罐，用于 存储空气或气体形式的传热流体，所述空气或气体根据布雷顿循环或斯特林循环供给燃气轮机； -压缩饱和水蒸汽罐，在吸收器管道中的传热流体为水，以便一旦所述水被转化为蒸汽则根据兰金循环被供给蒸汽轮机的情况下，或者在传热流体是用于通过换热器加热水以用于相同目的的液体盐的情况下； -高温盐，在传热流体是兰金循环中采用的盐的情况下。
18.根据权利要求16或17所述的太阳热能设备，其特征在于，光导器(8)的至少一部分适于加热储存在存储装置中的传热流体。
19.根据权利要求10或14所述的太阳热能设备，其特征在于，还包括接收器外壳，以容纳接收器(I)，其中，光导器到达所述外壳(8，15)，除此之外，接收器(I)被大致设置在外壳内的底面上。
【文档编号】F24J2/24GK103703325SQ201280033306
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年6月28日 优先权日:2011年7月5日
【发明者】胡安·帕布洛·努内斯布特鲁, 曼努埃尔·格拉斯特里拉 申请人:阿文戈亚太阳能新技术公司