低成本高效率的太阳能发电厂的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非常低成本而高效率的系统和设备，其设计为使用抛物面聚光器来将阳光聚焦到接收器上，而接收器使用冷却剂来将热量送至储热单元。使用水作为冷却剂的次回路从储热单元提取热量并用于使涡轮机运转以产生电力。来自次回路的废热可再用于运转海水淡化工厂，或简单的消耗到环境中。
【背景技术】
[0002]目前，已开发或正在开发若干种将阳光转换为电力的系统。下面将对这些系统及其优点和缺点作简要描述，以更好地理解太阳能发电。
[0003]I)拋物面槽:这是最早开发的系统之一，且是某些国家中仍在继续使用的最受欢迎的系统之一。在这样的系统中，拋物面槽具有穿过焦点的管道。这样的管道具有有效吸光的涂层。高温度油经过该管道并被聚集的阳光加热。这样被加热的油随后被用于将水加热为过热蒸汽，过热蒸汽用于驱动蒸汽涡轮机，而蒸汽涡轮机进而驱动发电机以产生电力。太阳追踪系统用于追踪太阳的位置，而电机系统用于旋转整个抛物面盘(Parabolic dish)和相关管道。这样的系统的优点是单轴追踪就足以跟随太阳。其存在的主要局限是，由于长管道会再辐射能量，所以能够达到的最大温度相当低。由于辐射与绝对温度的四次方成正比，所以超过某一温度以后，接收管开始辐射与它们接收到的同样多的能量。因此，这样的系统被认为不够有效。
[0004]2)发电塔:在这样的系统中，使用平面镜来代替抛物面镜。接收器被设置在高的中心塔的顶部上，且所有镜子被设置为使得它们将阳光反射到该中央塔接收器上。该系统的优点是能够达到的温度远高于拋物面槽系统所能达到的温度，因此效率也高得多。该系统还具有管道较少的优点。其缺点是每个镜子必须以特定的方式跟随太阳，以将光线聚焦到中央塔顶的接收器上。塔的高度还要随着太阳能电池阵的尺寸而增加，这增加了成本。最大的缺点是许多镜子在阳光峰值时段将以一角度倾斜，因此不能使最大阳光时间期间的能量收集最大化。接收器也具有大的表面积，其再辐射了大量的能量，这限制了操作的最大温度。
[0005]3)抛物面盘:抛物面盘系统的现有设计由大的抛物面盘组成，所述抛物面盘将阳光聚焦在斯特林发动机(Stirling engine)上，所述斯特林发动机用于将热量直接转化为电力。这样的设计允许非常高的温度，因此比拋物面槽系统的效率高。现有设计的该系统的问题是其非常昂贵且具有许多独立部件，导致需求高的维护费。
[0006]4)光生伏打系统:这些系统通过光生伏打效应将光线直接转换为电力。这些系统的缺陷是起始成本高且效率低。另一个问题是储存电力与储存热量更为困难、昂贵且具有污染性。
[0007]5)W0/2012/128877描述了一种比如温室等包围结构(enclosure)，该包围结构包围聚集的太阳能系统，该太阳能系统具有线聚焦太阳能聚集器。线聚焦太阳能聚集器具有能反射光的前层、芯层和后层。在一些实施例中，芯层和后层与能反射光的前层结合在一起时，能够使线聚焦太阳能聚集器保持特定形状而不需要附加的强化元件。在一些实施例中，芯层是蜂窝层。在一些实施例中，芯层和/或后层是通过从单件材料中去除材料而形成的。
[0008]6)其它系统:有多种处于实验阶段的其它系统，这些系统因技术原因而不太可能获得多大成功，因此不在本文中讨论。
[0009]当今人类面临的最大问题是持续燃烧化石燃料来提供能量。这导致了大气中的二氧化碳呈次幂级(exponential rate)增长的情况。这导致了极为有害的全球变暖现象，除非立刻停止燃烧化石燃料。在缺少廉价的替代性能量源的情况下，这是不会发生的。唯一能够提供地球所需的所有能量的能量源是太阳能。本发明不仅提供了一种发电的替代方案，而且还确保所有的汽车和其它机器、冬季期间对房间进行加热以及任何其它能量需求全部仅由例如太阳能等可再生能源来提供。简而言之，人类绝对不会再对这颗行星造成碳污染。只有这样我们才能够确保这颗行星能够存活到太阳成为超新星。使这样的情况能发生的唯一方法是利用一种廉价、易于量产、低维护、高效率、人工干涉需求少的高度机械化的设计，且其具有30至50年的设备寿命。
[0010]对于一个项目的成败而言，最重要的考虑是最终产品的价格。无论太阳能相比于化石燃料和其他技术具有多少益处，如果太阳能的价格高于其它能量源的价格，则成功的机会很小。因此，必要的是设计一种能够比化石燃料更便宜或等价地产生无补助电力的太阳能发电厂。
[0011]发明目的
[0012]本发明的一个基础目的是克服已知技术的缺点/缺陷。
[0013]本发明的另一个目的是提供一种产生电力和储存热量的有效系统。
[0014]本发明的另一个目的是提供一种以有效的方式从太阳能产生电力的电站。
[0015]本发明的另一个目的是提供一种在上述系统和电站中的简单而成本低的设备。
[0016]本发明的另一个目的是提供一种有效且廉价的储热单元。
[0017]本发明的另一个目的是提供一种用于接收阳光的简单而成本低的结构。
[0018]本发明的另一个目的是为该系统提供一种合适的绝热体以使热损耗最小化。
[0019]本发明的另一个目的是提供一种自动去除灰尘和进行清洁的系统。
[0020]本发明的另一个目的是使需水量最小化至几乎为零，因为在大多数沙漠中很少能大量供水。
[0021]在结合附图阅读以下详细描述后，本发明的以上和其它优点将显而易见。
【发明内容】
[0022]下文提出了本发明的简化概要，以提供对本发明的一些方案的基础理解。这样的概要并非本发明的广义概述。其并非旨在确定本发明的关键元件/主要元件或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式提出本发明的一些构思，以作为后文提出的更详细描述的序g。
[0023]图1中示出了电站的一种基础布置。包括由涡轮机、发电机和冷凝单元组成的次回路的部分与其它发电厂(例如核电站、天然气电站、煤电站)相同，因此不会进行论述。发明人的设计完全集中在由太阳能电池阵和储热单元组成的主回路的部分。设计太阳能电池阵的基础焦点在于选择一种能够实现高效、易于使用低成本材料制造、寿命长、维护需求低、在电站的整个运行寿命期间需要很少的人力介入的设计。由于太阳能电站总是会被设置在灰尘非常多且风速非常高的沙漠中，因其地形平坦而开放，所以成功的设计将必须不受这些条件的影响。
[0024]同样重要的是，设计一种有效而廉价的储热单元，不管环境条件如何，该储热单元将确保电站可以在全年中以全容量操作。目前，大多数现有太阳能电站被设计为具有能够提供仅几个小时的储备的多个储存单元，这是远远不能接受的。即使在沙漠中，必须承认的是，由于阴云、沙尘暴或技术原因，总会有一些持续多日的阳光不足以使用的时期。由于发明人的意图是仅通过太阳能或其它再生能源装置来确保满足所有形式的能量需求，所以它们没有使用化石燃料的储备。因此，即使在多日或更长时期中没有阳光的情况下，太阳能电站的任何储热单元也应该能提供完全容量的电力。
[0025]太阳能发电厂将会面对的另一个技术挑战是，夏季中的可用能量与冬季相比的巨大差距。冬季中对能量的需求会十分重要，尤其是对于经受严冬的国家。在城市适度地接近太阳能发电厂的情况下(也就是说数百公里)，热能可以直接从次回路中获取。这样的优点是，它们能量消耗将会很小。然而很可能的情况是，大多数城市距离太阳能发电厂很远，因此必须使用电力满足加热和烹饪目的。考虑到在冬季中能够从太阳获得的可用能量仅仅是夏季中可用能量的50%或更少，在那些远离赤道的地区，唯一的可用选项是建造容量明显过量、或建造能够覆盖因冬季中缺乏阳光而导致的任何差额的足够大的储热单元。这在经济上是不实际的。一个简单的解决方案是所有电站都适度地靠近赤道，也就是说在赤道的南北40°以内，并通过高压线将电力传输到其它区域。
[0026]很有可能的是，大多数太阳能电站会远离海洋，且可能很少接近任何类型的水。因此，大多数电站将会是气冷式。除了冷却塔要使用大量的、无法简单获取的水这个因素之夕卜，还必须考虑的是极大尺寸的太阳能电池阵将会明显降低该区域中的温度。由于这样的原因，气冷将是非常有效的，因为空气温度可以被维持在所需范围内。这将会造成略高的初期投资且会略微降低效率，但在大多数情况下这是没有选择的。
[0027]最后的、同样非常重要的考虑是，整个电站和储热单元应该被建造为高度环境友好的样式。换言之，制造电站的所有部件所需的能量必须最少，不应使用有毒化学物质，且电站的所有部件应该在寿命周期结束后可完全生物降解或可再使用。在未来的任何情况下，如果不再需要电站，则留下来的土地应该与建造电站之前的情况相同或更好。以下描述的电站是考虑到上述所有方面而设计的。
[0028]因此，本发明的一个方案涉及一种产生电力和储存热量的系统，所述电力是由太阳能产生的，其中所述系统包括:
[0029]主回路，所述主回路包括至少一个太阳能电池阵和至少一个储热单元，由此储热单元适合于从所述太阳能电池阵接收和储存热能；
[0030]次回路，与所述主回路操作性地连通；
[0031]其中，所述太阳能电池阵包括多个反射盘组件，所述反射盘组件包括多个反射盘装置，其中所述盘装置设置为彼此紧密靠近，其中所述盘装置设置为获得高阳光聚集比率，以提供从热能到电力的高转化效率。
[0032]本发明的另一个方案在于一种用于太阳能发电站的反射盘组件，所述组件包括:
[0033]多个盘装置，每个所述盘装置均由一个或多个管状结构构件支撑；
[0034]所述结构构件包括:
[0035]两个管状支撑装置，大致竖直设置且彼此间隔开，使得所述盘装置能够对应于太阳的位置进行移动；
[0036]另一个管状装置，在其两端处由所述两个管状支撑装置基本上保持为大致水平；
[0037]其中，所述水平外管状装置包括两个内管道装置，所述两个内管道装置密封地设置在所述水平管状装置的内部且与接收器装置接合，所述两个内管道装置位于大致透明的包围装置内部，所述接收器装置被密封地保护在所述包围装置的内部，且适合于接收和吸收由所述盘装置反射的几乎所有阳光；
[0038]其中，所述内管道装置具有特别设计的多层热辐射真空绝热配置结构，所述配置结构全部在所述内管道装置的外表面与水平外管状装置的内表面之间的可用真空空间中延伸并环绕；以及
[0039]其中，所述内管道装置限定惰性气体的通道，使所述惰性气体流过接收器装置从而将所述接收器装置收集到的热量带走，流到组件的下一个盘装置的内管道装置，直至所述惰性气体到达所需温度，处于该温度的所述热惰性气体被送至储热单元和次回路的热交换器。
[0040]本发明的另一个方案在于一种使系统免受灰尘的配置结构，所述配置结构包括:
[0041]过滤装置，围绕所述盘组件，所述过滤装置大致竖直地设置在所述盘组件的所有侧面上，从而对入射阳光辐射不会有任何阻碍，同时所述过滤装置可以有效地拦截大多数灰尘颗粒并将风速降低到几乎为零；以及
[0042]多个空气离子发生器装置，设置在所述大致竖直管状支撑装置上。
[0043]本发明的另一方案在于一种机构，其中每个所述清洁机构均设置在所述盘组件上，所述清洁机构包括:
[0044]一个或多个臂装置，其中所述臂装置设有一个或多个清洁材料；以及
[0045]一个或多个电机装置，操作性地连接在所述臂装置上，以按照所需地驱动所述臂
目.0
[0046]本发明的另一个方案还在于一种电站，包括本文上述的系统和组件。
[0047]本发明的另一方案还在于一种储热单元，包括:
[0048]第一筒形体或任何其它适当形状体；
[0049]大于所述第一筒形体的第二筒形体或任何其它适当形状体，所述第二筒形体大致同心地包围所述第一筒形体，中间留有预定空间；
[0050]多个管道装置，每个管道装置均通过鳍片装置彼此连接，所述多个管道装置在所述鳍片装置的协助下以形成多个节段的方式设置在所述第一筒形体内部，以容纳储热介质。
[0051]本发明的另一方案在于一种用于本文上述的系统和组件的小型储热单元。
[0052]根据以下结合附图公开了本发明的多个示例性实施例的具体描述，本发明的其它多个方案、优点、和显著特征对于本领域技术人员显而易见。
[0053]太阳能电池阵和热储存设计的一些重点。
[0054]以下列表中提到某些重要的独特特征，这给出了电站的设计的简要构思。
[0055]I)使用相对小尺寸的抛物面盘，其由金属、亚克力、玻璃、PVC或塑料片材通过冲压成形、或真空成形而制成。
[0056]2)该盘将是极轻量化的镜子，其重量优选小于lKg。
[0057]3)每个盘均会形成为抛物面盘的形状且涂覆有铝或银。
[0058]4)使用具有二氧化硅的薄保护层的前侧镜。还使用由玻璃或其它材料制成的、效率较低的后侧镜。
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