专利名称：收集器和用于获得来自太阳射线热量的收集器结构的制作方法
收集器和用于获得来自太阳射线热量的收集器结构
本发明涉及一种收集器和用于从入射的、优选太阳射线中获取热量 的收集器结构。
致力于使用化石燃料已经使可选择的能量系统有了明显的发展。太 阳能在这种发展中具有决定性的作用。目前常见的太阳能利用除了太阳 射线光电转换成电能以外还创造出许多用于产生不同应用热量的方法。最广泛使用的热技术应用是在非集中式太阳收集器中产生直到约90 ℃至100℃的低温热。尽管是非集中式、即非聚焦的收集器也可以达到 直到约150℃的较高温度，但是要付出不可测的高技术费用。随着温度 的上升热损失也超比例地增加。由此使这种收集器的效率非常低并且使 太阳能的利用率明显降低。
因为在许多应用中、例如在太阳能发电技术中需要提供比非聚焦式 收集器提供高许多的温度，所以在过去发展了集中式、即聚焦式收集 器。在这种收集器中借助于集中的反射器使太阳射线偏转到一个焦点或 者在反射器纵向上延展的焦轴上。在此在一个特別小的范围以内将射线 转换成热量。由此可以使在其上由于管道和环境对流可能失去热量的表 面积降低到反射器总面积的 一 小部分。由此以相同的程度也使集中式收 集器的热损失比非集中式收集器的热损失减小。
用于从太阳能产生热量的集中式收集器经常由抛物线槽收集器构
成。最大量的应用是在太阳能发电，在其中为了加热载热体(大多是热
油)使用太阳热。
载热体将传递到其上的太阳热给到蒸气力循环。为此所需的高温需
要高度集中太阳射线。
抛物线槽收集器由纵向伸长的反射器110组成，它具有垂直于其纵 向的抛物线轮廓，见图8。在反射器焦轴中设置一个吸收管120,在其 中通流热载体介质。热载体介质增加由管吸收的热量并且将它们输送到 耗热位置，例如热电站。除了这种发电站技术应用以外抛物线槽收集器 也用于产生加热热量和工艺热量。
由集中或聚焦的物理原理产生对抛物线槽收集器设计结构的要 求。因此反射器的轮廓必需具有高精度，由此在抽吸管上产生反射的射线。在几何形状不精确时大量的反射射线失去目的，这导致明显的功率 损失和相应的效率降低。
集中的原理还要求精确地跟踪收集器。该收集器总是这样对准，使 得其反射器总是正交于入射的太阳射线方向设置。
抛物线槽由纵向伸长的槽构成。这些槽大多以多排前后串联成一个 大的收集器场。由于各个槽的较大长度可能产生由扭曲力引起的反射器 附加变形，它们同样可能导致误聚焦。为了防止这一点选择特殊的防止 抛物线槽扭转的结构措施。因此在一些结构形式中在镜子的背面上具有 扭转管或者费事的钢架结构，借助于它们使由反射器和吸收管组成的整
收集器有时承受^烈的风。风力同样要求收集器具有形状稳定的结 构，因为否则反射器在风力影响下变形并且使焦线偏移吸收管。因此在 工业装备和太阳能发电站使用的抛物线槽收集器通过相应费事的辅助 结构防止由于风力影响产生变形。用于保证反射器形状稳定性的费事的 辅助结构与反射器本身相比需要高的材料费用并且由于这种材料费用 以及由于其复杂的结构在加工中是成本昂贵的。因此它们使这个收集器 的加工且尤其使整个太阳能设备的加工成本非常昂贵。
由所述现有技术提出本发明的目的是，提供一个用于收集器或用于 收集器结构中的收集器的反射器装置，它本身已经具有这样高的稳定 性，使得无需其它附加费用地提高反射器的形状稳定性。
这个目的通过权利要求1的内容得以实现。这个权利要求的特征 是，所要求的反射器装置包括许多棱面部件，它们相互间这样成角度地 设置，使得反射器装置具有锯齿形的轮廓并且第 一组棱面部件具有许多 反射表面并且这样设置，它们使入射到其反射面的射线分别通过不同的 焦距长度反射到反射器装置的公共第 一 聚焦区域。
这种具有许多锯齿形设置的棱面部件的反射器装置的扩展结构具 有高度自身稳定性的优点。由于这种自身或形状稳定性使反射器装置在 其形状上以有利的方式至少很大程度上稳定或者说抵抗可能作用的风 力或扭曲力，而不必使它们通过附加的结构措施机械加固。因此使所述 反射器装置在其加工时是非常经济的。
按照反射器装置的第 一 可选择实施例由许多棱面部件组成的第二 组分别在其面对入射射线的表面上吸收热量地构成并且在其背离入射射线的底面上具有一个棱面部件-吸收装置，用于输送尤其在其表面上 吸收的热量。通过这种方式以有利的方式提供第一可选择的可能性，借 助于不使射线聚焦在第一聚焦区域中的第二组棱面部件也可以附加地 充分利用热量。
借助于第二组的棱面部件充分利用热量的第二选择是，分别使其面 对入射射线的表面反射地构成并且这样对准，这些棱面部件使入射的射 线反射到反射器装置的公共第二聚焦区域。然后在这个第二聚焦区域中 以有利的方式可以借助于设置在那里的第二吸收装置充分利用热量。
对第二吸收装置也可以选择具有至少一个辅助反射器装置，它使由 第二组平面部件反射的射线在到达第二聚焦区域之前优选偏转或反射 到第一聚焦区域。该辅助反射器装置的存在与第二吸收装置的存在相比 可以在第二聚焦区域中节省空间地构成。
为了达到高效率有利的是，可以实现射线尽可能高度地集中或聚
焦；为此使各个棱面部件优选抛物线地形成轮廓。同样可以使棱面部件 具有平面轮廓；但是它们与抛物线轮廓相比具有减小的效率。
所述反射器装置在其边缘部位、即在棱面部位以外可以具有同次的 抛物线轮廓，它优选这样对准，使入射到那里的射线同样反射到反射器 装置的聚焦区域中。在反射器装置的第 一或第二聚焦区域中的第 一或第 二吸收装置和/或在第二组的棱面部件的底面上的棱面部件-吸收装置 优选都相同形式地构成。所有这些吸收装置一般具有一个通流通道，例 如以管的形式，在其中通流热载体、例如热油，用于接受和输送由射线 那里获得或者说吸收的热量。
有利地这样构成具有棱面部件的反射器装置，使它在一个平面中延 伸。因此与已知的抛物线槽收集器不同按照本发明的反射器装置具有远 为更少的空间需求，因为更小的总高度。
有利地可以根据供使用的空间需求、或者说按照所期望的设计使具 有棱面部件的反射器装置圆形或也可以选择纵向伸长地构成。对于圆形 的反射器装置扩展结构第一聚焦区域当然基本是球形或点状的，而第二 聚焦区域是环形的。相应地使棱面部件-吸收装置和/或第二吸收装置在 第二聚焦区域中环形地且与反射器装置同心地构成。与此不同对于纵向 伸长的反射器装置实施例不仅其第一和第二聚焦区域而且从属的吸收 装置同样纵向伸长地、优选管状地构成。所述反射器装置优选由金属
板、例如由铝板构成。由此使反射器装置能够非常简单地借助于金属沖 压通过相应的冲头以大批量和孩i少的加工成本同时以高的加工精度制成。
本发明的上述目的还通过如权利要求16所述的收集器结构得以实 现。这个解决方案的优点基本对应于上面借助于所述收集器列举的优 点。此外有利的是，尤其是相邻的收集器在收集器结构中至少部分地这 样设置，使其各个聚焦区域在空间重叠。由此可以省去吸收装置，因为 对于多个重叠的聚焦区域只还需要一个吸收装置。
从属权利要求的内容是收集器和收集器结构的其它有利的扩展结构。
总共8个附图附属于描述，其中
图1示出一个按照本发明的收集器，
图2示出一个用于描述收集器结构的设计结构，
图3示出一个收集器结构，
图4示出 一个用于描述收集器结构的设计结构，
图5示出收集器结构的第一变化，
图6示出收集器结构的第二变化，
图7示出将收集器结构安装在机架中，
图8示出按照现有技术的集中的收集器，
图9示出具有次级反射的多重作用的棱面反射器，
图10示出具有外壳和反射-吸收管以及具有隔热和吸收面的平面 玻璃盖板的多重作用的棱面反射器。
下面借助于所列附图1至7以及9和10的实施例详细描述本发明。 在所有附图中相同的部件配有相同的标记符号。
在所有附图中总是假设，所述射线、尤其是太阳射线优选垂直地从 上面入射到在附图中所示的收集器上；为了简化视图未示出这种入射的 射线。
图1示出按照本发明的收集器100的示例。它用于获得来自入射的 太阳射线的热量。它包括一个具有许多棱面部件110-I-i和110-II-n的反射器装置110，其中i， n分别代表自然数。按照本发明使各棱面 部件对于反射器装置110相互间成角度地设置，由此得到在图1中所示 的锯齿形或者平面形的用于反射器装置的轮廓116。为了简化其它结构
使棱面部件分成第一组I和第二组II,其中第一组的部件在图1中从左 下向右上延伸而第二组II的棱面部件从左上向右下延伸。原则上在两个相邻的棱面部件相切的接触点的角度a位于〈180。的角度范围并且对于 各个接触点是各不相同的。按照本发明至少一组棱面部件总是配有反射 的表面并且在反射器装置内部分别这样相对于入射的射线成形，它们使 入射的太阳射线反射到附属于第一棱面部件组的第一聚焦区域130 -1。如同在图1中看到的那样，每个棱面部件分别与共同附属于它们的 第一聚焦区域130-1具有不同的距离并因此使入射的太阳射线分别以 不同的聚焦长度反射到这个聚焦区域。所述收集器IOO在第一聚焦区域 130-1中具有第一吸收装置120-1,它由反射的射线加热并且这样构 成，使吸收的热量输送到耗热位置，例如热力发电站、加热器或工艺过 程。
为此一般使该吸收装置120-1以通流通道的形式构成，在其中通 流热载体、例如热油，用于使热量输送到耗热位置。所述通流通道原则 上可以具有一个任意的横截面，但是矩形或三角形横截面的通流通道由 于其比圆形横截面的通流通道具有更大的吸收表面并因此保证伴随而 来的更高效率。在图1中未示出吸收装置120- 1的这种可能的结构。
在图1中示出收集器100的第一变化。这个第一变化是，不仅第一 组棱面部件110-1-1、而且第二组II棱面部件110-II-n都由许多具 有反射表面的反射器装置110的棱面部件构成。第二组棱面部件还这样 在反射器装置内部对准，它们使入射到它们的太阳射线聚焦在反射器装 置110的第二聚焦区域130-2。因此在图1中所示的反射器装置具有两 个聚焦区域130- 1和130-2。对第二聚焦区域130 -2也附i殳一个用于 附加吸收由第二组II棱面部件反射的射线的第二吸收装置120-2;因此 使收集器双重地有效。
如同在图1中还看到的那样，所述棱面部件110-1-i和110-II -n限制在范围B。在这个范围B以外所述反射器装置110优选具有一个 同次的抛物线轮廓118，它这样构成，使各入射的射线同样聚焦在两个 聚焦区域130- 1或130-2中的一个聚焦区域上。
配有反射表面的棱面部件110-1-i和110-II-n优选在其横截面 中抛物线地形成轮廓，用于使入射到它们的太阳射线尽可能好地集中或 聚焦在第一或第二聚焦区域130-1， 130-2，见图2。但是如果各个棱面部件的宽度与反射器装置no的总宽度相比为一个非常小的数值，则 可以进一步简化棱面部件110-I-i和110-II-n的结构以及加工，使 棱面部件在其轮廓上不是抛物线地、而是以平面的表面构成。由此使聚 焦比抛物线的棱面部件结构略微更不精确以及不聚焦并且在吸收装置 120 - 1, 120 -2上不是形成一条线，而是形成一个反射射线窄带。为了 保证，所形成的太阳射线带不太宽并且不使收集器的效率太差，在这种 情况下使棱面部件的宽度小于吸收装置通流通道的直径。
如同在图1中看到的那样，所述反射器装置110基本对准一个平 面。因此与抛物线收集器不同，它显示出微小的总高度并且由此产生小 的安装体积。
由于锯齿形棱面部件在图1中所示的反射器装置110相对于作用的 变形力是特别稳定的，而不必通过附加的费事且成本昂贵的措施支承或 加固。特别有利的是，借助于金属冲压，如果它们通过相应的沖头构成， 能够使它们以大批量和微少的加工成本同时以高的加工精度制成。
在图1中示出的反射器装置优选纵向伸长地沿着一个纵向轴构成。 以理想的方式由焦线构成的聚焦区域130 - 1, 130 - 2使第一和第二吸 收装置120-1， 120-2的管状构成的通流通道以及带状构成的棱面部 件110-I-i和110-I-n平行于这个纵向轴、但是未示出的在图1中垂 直于图面延伸。
图3示出一个收集器结构，其中两个按照图1的收集器通过一个抛 物线反射段P相互连接。该反射器结构的构造和功能原理基本对应于上 面借助于图1所述的各收集器100的构造和功能原理。作为按照图3的 收集器结构200的特殊点仅仅保证，使两个参与的收集器100-I和100 -II这样相互连接，使第一收集器100-I的聚焦区域与第二收集器100-n的聚焦区域叠加。其优点是，为了吸收在叠加的聚焦区域130中的热量只需要一个吸收装置120。由此使吸收装置特别强烈地加热并因此用于吸收高温热量。
在图3中所示的收集器结构200或者可以纵向伸长到图面中地构成或者可以圓形地构成。在第一种情况下聚焦区域是一个焦线或者一个焦 轴，而在后一种情况下它是球形或点状。
图4与图2类似地示出按照图3的反射器装置110在棱面部件的横 截面抛物线形结构时的设计结构。
图5示出由图3已知的反射器装置110，但是按照第一变化，它规 定，在图3中不能用于吸收热量的第二组II的棱面部件、即部件110-II-n, n= 1 - 3在这里附加地用于获得热量。这一点对于在图5中所示 的扩展结构以这种方式实现，使棱面部件110-II-n在其面对入射射线 的表面O上吸收热量地构成，优选在那里具有一个吸收热量的覆层。同 时棱面部件在其背离入射射线的底面U上具有一个用于输送尤其在其 表面O上吸收的热量的棱面部件-吸收装置140。该棱面部件-吸收装 置140优选与第一和第二吸收装置类似地构成，但是在需要的情况下远 为更小，因为至少其各个通流通道必需在各棱面部件110 - II - n的底面 U上具有位置。在各个棱面部件下面的通流通道优选相互连接并且一起 构成棱面部件-吸收装置140。这个吸收装置一般不像第一或第二吸收 装置120-1， 120-2那样强烈地被加热并因此与第一和第二吸收装置 不同用于获得低温热量。
图6示出按照图3的收集器结构200的第二变化，在这里聚焦部件 110-1-i也使入射射线聚焦在第一聚焦区域130- 1;这一点在图6中 通过两个细直线表示，它们从反射器装置110的右或左边缘分别引到对 于聚焦区域120-1。与按照图5的第一变化不同，在这里第二组II棱面 部件在其表面上不是通过吸收层、而是取而代之通过反射层构成。因此 它们首先将入射到它们上面的射线反射到收集器结构200的右边缘部位 和左边缘部位。按照第二变化反射的射线在那里遇到旁反射器112， 114，用于从这个旁反射器同样反射或者偏转到收集器结构200的第一 聚焦区域130 - 1。对于圆形的收集器结构的扩展结构两个旁收集器结构 112， 114 一体地以环绕的环的形式构成。由于通过旁反射器112, 114 起作用的偏转实现位于第一聚焦区域130-1中的第一吸收装置120的 增强加热。
图7示出按照本发明收集器结构200,它安装在一个适合的机架210 中。该机架210由于容纳例如两个收集器100-I和100-II,它们分别 对应于上面借助于图l所述的实施例构成。所述收集器100-I和100-II的各个组成部分、即其各个反射器装置110-1, IIO-II和其吸收装置 120 _ 1...3分别固定在才几架内部并且适合于最佳地吸收热量地相互i殳 置。尤其保证，在机架中心使两个收集器100-I和100-11的两个聚焦 区域叠加在中心的聚焦区域130-i中。在所有的聚焦区域130 - 1...3中
分别具有一个适合的吸收装置120-1...3。在收集器100 - 1, 100 - 11 上方优选垂直于其各自的反射器装置110-1， 110-II延伸的平面分别 安置双侧起作用的反射器180 - 1, 180 - 2,用于使由反射器装置110-I, 110-11反射的射线反射到三个聚焦区域130-1...3中的一个聚焦区 域。所述外壳210可以对应于收集器结构的实施例圆形或纵向伸长地构 成。优选通过一个适合截切的玻璃盖板覆盖。该玻璃盖板一方面有利地 增加在外壳内部的热量发展并且另一方面尤其相对于棱面的反射器装 置UO-I和110-II更易于保持干净，由此可以简单地保持高效率。
图9示出一个双重作用的棱面反射器/收集器，它利用结构的整个表 面，用于使太阳射线聚焦成射线束195。为此使未对准初级聚焦(130 -0)的反射器/收集器的初级轮廓(190-0)的条带配有抛物线轮廓并 且这样设置，它们使入射到它们的射线反射到至少 一个位于收集器外部 的次级焦轴上。次级反射器位于收集器的两个长边上，次级反射器对应 于次级抛物线轮廓(190-1， 190-2),在这些轮廓上在它们上产生的 射线反射到(相邻)收集器的吸收管上。因此位于收集器长边上的侧壁 由少反射的材料组成。
在图10的结构中使吸收管在收集器上的固定装置以有利的方式经 济地组合在收集器的一个稳定的、箱形整体结构中。所述吸收管可以由 具有较大平面吸收面的圆管、由矩形管或由三角形管构成并且在不处于 产生的射线的表面l爻上配有隔热。可以由平面的、纵向伸长的玻璃板构 成玻璃盖板。这个结构也能够使收集器对应于太阳状态跟踪，用于提高 太阳收益。
权利要求
1.用于从入射的、优选太阳的射线获取热量的收集器(100)，包括一个反射器装置(110)，用于使入射的射线反射到反射器装置的至少一个第一聚焦区域(130-1)上；和一个设置在第一聚焦区域中的第一吸收装置(120)，它由反射的射线加热并且构造成用于输送热量；其特征在于，所述反射器装置(110)包括许多棱面部件(110-I-i；110-II-n)，它们相互间这样成角度地设置，使得反射器装置(110)具有锯齿形的轮廓，又许多棱面部件构成的第一组(I)棱面部件(110-I-i)各具有一个反射表面并且这样设置，它们使入射到其反射面的射线分别通过不同的焦距长度反射到反射器装置(110)的公共的第一聚焦区域(130-1)中。
2. 如权利要求1所述的收集器(100)，其特征在于，由许多棱面 部件构成的第二组(II)棱面部件(110-II-n)分别具有一个面对入射 射线的吸收热量的表面(0)并且在其背离入射射线的底面(U)上具 有一个棱面部件吸收装置(140)，用于输送尤其在其表面(0)上吸收 的热量。
3. 如权利要求1所述的收集器(100)，其特征在于，第二组(II) 棱面部件(110-11-n)分别具有面对入射射线的反射表面并且这样设 置在反射器装置中，它们使入射到其反射面的射线分别通过不同的焦距 长度反射到反射器装置(110)的公共的第二聚焦区域(130-2)。
4. 如权利要求3所述的收集器(100),其特征在于一个设置在第 二聚焦区域中的第二吸收装置(122， 124),用于吸收在那里聚集的热 量。
5. 如权利要求3所述的收集器(100),其特征在于一个设置在由 第二组(II)棱面部件反射的射线的射线光程中的辅助反射器装置(112, 114),用于使反射的射线优选偏转到第一聚焦区域(130-1)。
6. 如上述权利要求中任一项所述的收集器(100),其特征在于， 尤其使棱面部件(110-I-i, 110-II-n， 110-II-k)的反射表面至 少局部地具有抛物线的或平面的轮廓。
7. 如上述权利要求中任一项所述的收集器(100),其特征在于， 所述反射器装置在通过许多棱面部件构成的棱面范围以外具有抛物线 轮廓(118)。
8. 如上述权利要求中任一项所述的收集器(100),其特征在于， 第一、第二和/或棱面部件吸收装置(120-1， 120-2， 120 - 3, 140 ) 分别具有优选管状的通流通道，在其中通流热载体，用于吸收并输送从 射线能量获得的热量。
9. 如上述权利要求中任一项所述的收集器(100),其特征在于， 所述反射器装置(110)通过棱面部件(110-I-i， 110-11-n， 110-II-k)在一个平面中延伸地构成。
10. 如上述权利要求中任一项所述的收集器(100)，其特征在于， 所述反射器装置(110)圆形地通过各个棱面部件(llO-I-i, 110-11 -n)以同心锥台形的环构成，由此使第一聚焦区域基本点状地构成。
11. 如权利要求IO所述的收集器(100)，其特征在于，所述棱面 部件吸收装置(140)和/或第一和第二吸收装置(122， 124)的通流通 道至少基本环形地且与反射器装置(110)同心地构成。
12. 如权利要求1至9中任一项所述的收集器(100),其特征在 于，所述反射器装置沿着纵向轴纵向伸长，使得各个棱面部件分别形成 平行于纵向轴的线带，由此使第 一和/或第二聚焦区域分别代表聚焦轴。
13. 如权利要求11所述的收集器(100),其特征在于，所述吸收 装置(120)、棱面部件吸收装置(140)和/或辅助吸收装置(122， 124) 平行于反射器装置的纵向轴地延伸。
14. 如上述权利要求中任一项所述的收集器(100)，其特征在于， 具有棱面部件(llO-I-i， 110-II-n, 110-II-k)的反射器装置(110) 通过金属板、例如铝板构成，优选沖压。
15. 如上述权利要求中任一项所述的收集器(100)，其特征在于， 所述收集器(100)具有一个机架，在其中优选收集器装置与至少第一 吸收装置(120)和第二吸收装置(122, 124)或辅助反射器装置(112， 114) 一起安装、优选悬挂反射器装置(110)。
16. 具有许多收集器(100)的收集器结构(200 ),其特征在于， 至少一部分收集器(100)分别如权利要求1至15中任一项所述构成。
17. 如权利要求16所述的收集器结构(200)，其特征在于，尤其 是相邻的收集器(100)至少部分地这样设置，使其各个聚焦区域(130 -1 )在空间重叠。
18. 如权利要求16或17所述的收集器结构(200),其特征在于， 至少两个收集器(100)通过优选抛物线形的反射段相互连接。
19. 如权利要求16或17所述的收集器结构(200)，其特征在于 一个机架，在其中固定、尤其悬挂各个收集器。
20. 反射器结构(图9),其特征在于，利用整个反射面，用于使 入射的太阳射线反射到初级吸收器和至少一个次级吸收器，它也可以是 相邻初级反射器的初级吸收器。
21. 反射结构(图10)，其特征在于，利用整个反射面，用于使入 射的太阳射线反射到位于侧面的初级吸收器。
22. 如权利要求21所述的收集器结构(图10),其特征在于，所述反射器位于一个机架中，在其长边上固定初级反射器，它们可以配有 ^皮璃盖才反。
23. 如权利要求22所述的收集器结构(图10),其特征在于，这 个结构可以至少单轴地跟踪太阳的位置，用于提高太阳能输出。
全文摘要
本发明涉及一种用于获得来自入射的、优选太阳射线热量的收集器和收集器结构。由现有技术基本公知这种收集器和收集器结构。一个公知的收集器一般包括一个用于使入射的射线反射到反射器装置(110)的至少一个第一聚焦区域(130-1)上的反射器装置(110)。一般的收集器还包括一个设置在第一聚焦区域中的第一吸收装置。为了使反射器装置赋予高的自身稳定性、尤其是抵抗产生的风力和扭曲力，按照本发明建议，所述反射器装置通过许多棱面部件(110-I-i；110-II-n)构成，它们相互间成角度地设置，使得反射器装置(110)具有锯齿形的轮廓。
文档编号F24J2/10GK101203717SQ200680022481
公开日2008年6月18日 申请日期2006年4月21日 优先权日2005年4月21日
发明者阿米特·洛库尔鲁 申请人:阿米特·洛库尔鲁