高效太阳能接收器的制造方法
高效太阳能接收器的制造方法
【专利摘要】本发明在各实施例中涉及太阳能接收器，包括具有中部接收器组件和至少一个“翼部”组件。翼部组件包括双重暴露或两侧吸热屏，并且由从中部接收器组件延伸出的结构部件支承。中部接收器组件和翼部组件的吸收屏其配管的设计和大小可以是不同的。此处各实施例揭示了太阳能接收器，该接收器包括中部接收器组件和，翼部组件。中部接收器组件包括内部支承结构和至少一个外部中间管屏。
【专利说明】高效太阳能接收器
[0001]相关文件的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年11月16日提交的、申请号为61/560，631的美国专利临时申请的优先权。在此，该申请的全部内容通过参见的方式合并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明总体上涉及用于产生电能的太阳能发电领域。更具体地，本发明涉及双重暴露或两侧吸热的板和具有一个或多个所述板的太阳能接收器。这些太阳能接收器设计可以用于集中式太阳能塔技术(也称为集中式太阳能发电技术，CSP)以利用太阳能来产生“绿色”电能。
【背景技术】
[0004]太阳能接收器是太阳能发电系统的主要部件，通过太阳能接收器，阳光被用作热源以最终产生过热的高质量蒸汽，而蒸汽又被用以驱动汽轮发电机，并使用兰金循环最终产生电能，或者为其它热处理提供蒸汽。
[0005]一般地，太阳能接收器被定位在高于地平面的高架支承塔的顶部。太阳能接收器被战略性地定位在一组反光表面即定日镜(或镜子)的场地中，这些反光表面收集太阳光线，然后将这些光线反射回来并集中到该太阳能接收器的吸热表面。然后，太阳能由流过太阳能接收器的工作传热流体(HTF)吸收。这些反光表面可以在整个白天于不同位置定向以跟踪太阳并最大化反射到该接收器吸热表面上的阳光。
[0006]太阳能接收器是管的组件，水、蒸汽、熔盐或其它传热流体(HTF)在这些管中流动。在太阳能接收器的这些管中的传热流体吸收被集中的太阳能，使传热流体温度上升并且/或者发生相变，使得传热流体获得太阳能。然后，被加热的传热流体被直接运送到汽轮发电机以产生电能或者被间接运送到储存罐中以备日后使用。
[0007]太阳能接收器设计通常包括具有竖直定向管的屏，即管屏，以及用于将管屏维持在合适位置的支承结构和其它关联设备(泵、管线、储存容器、热罩等)。在常规设计中，太阳能接收器具有正方形、长方形或圆形横截面(从上向下看的俯视图中)。这些管屏布置在该横截面的外部上，使得来自镜场的太阳能被导向(或被吸收)到管屏的仅一个面。在例如名称为“工厂组装的太阳能接收器热交换器(Shop-Assembled Solar ReceiverHeat Exchanger) ”并授予巴布考克和威尔克斯发电集团公司(Babcock&Wilcox PowerGeneration Group, Inc.)的美国专利第12/605，241号中描述了上述管屏,在此,该申请的全部内容通过参见的方式合并入本文。
[0008]在此方面，图1是上述一个太阳能接收器设计100的俯视图(即从上方看)，该太阳能接收器具有四个被设置成正方形的管屏110、120、130、140。各管屏具有一个接收来自镜场的太阳能的外表面112、122、132、142以及一个不接收该太阳能的内表面114、124、134,144ο
[0009]管屏的不接收太阳能的内表面一般具有加固梁系统，该加固梁系统支承所述屏以承受强风、地震力以及热感应力。典型地，该加固梁系统包括“工”字型横梁或其它的结构钢形状，横梁或结构钢以使得该管屏可以独立于支承结构本身并独立于其它管和屏膨胀的方式被夹在管屏上。一般地，将夹具焊接到管上，使得当将热施加于该管时，管屏可以相对于固定支承结构移动，而该支承结构仍可为该管屏提供刚性。在太阳能接收器上，管屏中的管并未如同在矿石燃料燃烧锅炉中一样沿它们的轴线(即膜式构造)焊接在一起，而是未被束缚的构造。此允许管在当加热时独立于彼此进行膨胀。由此，各管必须具有夹具以附连到处于一定支承高度上的加固梁。
[0010]理想的是，提供一种使用传热流体并且设计简单、模块化且经济的体积较小的太阳能接收器。
【发明内容】
[0011]本发明在各个实施例中涉及包括中部接收器组件和至少一个“翼部”组件的太阳能接收器。该翼部组件包括双重暴露或两侧吸热的吸热屏，并且由从中部接收器组件延伸的结构部件支承。在中部接收器组件中的吸热屏和在翼部组件中的吸热屏可以在它们的管道设计和大小上有所不同。
[0012]本文在多个实施例中公开的是包括中部接收器组件和翼部组件的太阳能接收器。中部接收器组件包括内侧支承结构和至少一个外侧中部管屏。该内侧支承结构限定内部容量。所述至少一个外侧中部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通。外侧中部管屏布置在该内侧支承结构的外表面上，同时该外侧中部管屏具有暴露的第一表面和非暴露的第二表面。该翼部组件从中部接收器组件延伸，各翼部组件具有翼部管屏。该翼部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中，所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通。各翼部管屏具有暴露的第一面和与该第一面相对的、暴露的第二面。
[0013]该翼部组件还可以包括结构支承架，所述结构支承架包括:第一竖直柱；在该第一竖直柱的上端和该内侧支承结构的上连接部之间延伸的上水平梁；以及从该第一竖直柱的下端到该内侧支承结构的下连接部延伸的下水平梁。
[0014]至少一个屏支承杆可以在该结构支承架和翼部管屏的上集管之间延伸。
[0015]该太阳能接收器还可以包括:第一加强结构，该第一加强结构在第一支承高度处从第一侧边缘到第二侧边缘横过该翼部管屏的第一表面和第二表面进行延伸。有时，也存在有第二加强结构，该第二加强结构在第二支承高度处从第一侧边缘到第二侧边缘横过该翼部管屏的第一表面和第二表面延伸。
[0016]在实施例中，各加强结构由该翼部管屏的第一表面上的第一支承组件和该翼部管屏的第二表面上的第二支承组件形成。各支承组件包括:支承管；从该支承管延伸并在其中具有槽的水平凸缘；以及接合该管屏并具有至少一个凸耳的扇贝形棒，该扇贝形棒由穿过至少一个凸耳和该水平凸缘的槽的销而接合该水平凸缘。
[0017]各支承组件可以具有不同于该翼部管屏中任何管的直径，并且在一些实施例中大于该翼部管屏中任何管的直径。各支承管的外表面可以被涂漆成减少吸热。
[0018]在一些实施例中，第一加强结构的第一支承组件流体连接到第二加强结构的第一支承组件。第一加强结构的第一支承组件可以在流体连接到该翼部管屏的入口集管或者流体连接到至少一个外侧中部管屏。在另一些实施例中，第一支承高度和第二支承高度不处于该翼部管屏的中区。根据两侧吸热屏的高度，可以考虑其它加强结构。
[0019]中部接收器组件还可以包括定位在外侧中部管屏上方的上热罩和定位在外侧中部管屏下方的下热罩。该翼部组件也还包括具有定位在该翼部管屏上方的上表面、定位在该翼部管屏下方的下表面以及远离该中部接收器组件定位的侧表面。在该翼部组件热罩的侧表面和该翼部管屏的侧边缘之间可以存在有敞开空间。有时，太阳能接收器还可以包括定位在外侧中部管屏上方的水平热罩。
[0020]上热罩、下热罩和翼部组件热罩可以涂成白色以减少吸热。类似地，该翼部管屏的第一面和第二面可以涂成黑色以增加吸热。
[0021]各翼部管屏可以包括多个管程，相邻的管程被布置成使得传热流体以蜿蜒的方式向上流过一个管程并向下流过另一个管程。
[0022]如果传热流体是水或蒸汽，那么该太阳能接收器还可以包括竖直水/蒸汽分离器以将饱和水从干燥的饱和蒸汽中分离，由此进一步过热该干燥蒸汽。可替换地，如果传热流体是熔盐，那么该太阳能接收器还可以包括熔盐入口容器和熔盐出口容器。
[0023]该外侧中部管屏可以包括具有螺旋形内部肋的壁管。
[0024]在具体实施例中，该内侧支承结构具有矩形横截面，该中部接收器组件具有四个中部管屏，并且共有四个翼部组件从该中部接收器组件的角部延伸出。
[0025]本文也公开了一种太阳能系统，包括:具有上述中部接收器组件和翼部组件的太阳能接收器；和构造成将阳光朝向该中部管屏的第一表面、该翼部管屏的第一暴露面和该翼部管屏的第二暴露面弓I导的镜场。
[0026]下面将更具体地描述本发明的这些和其它非限定性方面和/或目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]以下是【专利附图】
【附图说明】，该说明用以描述本文公开的示例性实施例，而不是用以限制本发明。
[0028]图1是具有正方形定向的中部接收器组件设计的俯视图(即顶部视图)，各管屏(管板)具有一个暴露的外部表面和一个非暴露内部的表面。
[0029]图2是可以用在本发明太阳能接收器翼部组件中的双重暴露吸热屏(吸热板)的第一前视图。在本图中，移除了热罩和屏加强支承结构以提供内部视图。
[0030]图3是图2的双重暴露吸热屏的第二前视图。在本图中，屏加强支承结构是可见的，并且移除了热罩以提供另一内部视图。
[0031]图4是图2的双重暴露吸热屏的外部正视图。此图中，热罩放置到位置。
[0032]图5是图4的双重暴露吸热屏的外部侧视图。
[0033]图6是示出了翼部管屏的一部分以及用于该翼部管屏的加强结构的一部分的平面图。
[0034]图7是图6所示的管屏的一部分以及用于该管屏的加强结构的一部分的侧面剖视图。
[0035]图8是图6所示的翼部管屏和加强结构的部分的正视图。
[0036]图8A是图6所示的翼部管屏和加强结构的部分的立体图。[0037]图9是使用竖直水/蒸汽分离器的中部接收器组件的分解图。
[0038]图1OA是安装在该中部接收器组件上的中央管屏的侧面剖视图。
[0039]图1OB是图1OA的管屏的放大立体分解图。
[0040]图11是流体流过中部接收器组件的示意图，其中使用熔盐作为传热流体。
[0041]图12是使用熔盐作为传热流体的已组装中部接收器组件的立体图。
[0042]图13是包括中部接收器组件和翼部组件的本发明太阳能接收器的平面图。
[0043]图14是图13的太阳能接收器的等轴测视图，其中热罩放置到位。
[0044]图15是图13的太阳能接收器的前视图，其中热罩放置到位。
[0045]图16是图13的太阳能接收器的等轴测视图，其中移除了热罩。
[0046]图17是图13的太阳能接收器的前视图，其中移除了热罩。
【具体实施方式】
[0047]通过参照附图可以更完整地理解本文公开的过程和装置。这些附图只是基于说明现有技术和/或本领域发展的方便性和容易性而示出的示意性视图，因此不是意为指定其组件或部件的相关大小和尺寸。
[0048]虽然为了清晰在以下说明中使用了特定术语，但是这些术语仅意为表示附图中选定用以说明的、实施例的具体结构，而不是意为限定或限制本发明的范围。在附图中和以下【具体实施方式】中，应当理解的是，相同的附图标记用于表示具有相同作用的部件。
[0049]与数量结合使用的修饰词“大约”包括所述值，并且具有上下文所表示的意义(例如，它至少包括与具体数量的测量值相关联的误差度)。当该词与具体值一起使用时，也应当考虑为公开该值。例如，术语“大约2”也公开值“2”，范围“从大约2到大约4”也公开范围“从2到4”。
[0050]应当注意的是，本文使用的许多术语是相对性的术语。例如，术语“内部(内侧)”、“外部(外侧)”、“向内”和“向外”是相对于中部的，而不应当理解为要求该结构的具体定向或定位。类似地，术语“上”和“下”是在位置上相对于彼此的，即上部件处在高于下部件的高度处。
[0051]术语“水平”和“竖直”用以表示相对于绝对参照物即地平面的方向。但是，这些术语不应当理解为要求各结构相对于彼此完全平行或完全垂直。例如，第一竖直结构和第二竖直结构不一定是彼此平行的。
[0052]术语“平面”在本文中一般用以表示共同的准高，并且应当理解为表示体积(volume),而不应理解为表示平坦的表面。
[0053]解释太阳能接收器、锅炉和/或蒸汽发电机领域的特定术语或原理对于理解本发明是必要的，从这个意义上讲，读者可参考巴布考克&威尔克斯公司的Stultz和Kitto著的《蒸汽的产生和使用(Steam/Its Generation And Use)》第40版,版权所有1992,以及巴布考克&威尔克斯公司的Stultz和Kitto著的《蒸汽的产生和使用(Steam/ItsGeneration And Use)》第41版，版权所有2005，其二者的内容通过参见的方式合并入本文，如同在本文中充分阐述一样。
[0054]本发明涉及包括中部接收器组件和至少一个“翼部”组件的太阳能接收器。该翼部组件包括双重暴露的或两侧的吸热屏，并且由从中部接收器组件延伸的结构部件支承。在中部接收器组件中的和在翼部组件中的吸热屏可能在它们的管道设计和大小上有所不同。
[0055]在翼部组件中的两侧吸热屏被设计成在两个相对侧或相对面上接收热量，而不是只在一侧或一面上接收热量。与仅在一侧被加热的管屏相比，本发明的特征使该翼部组件的两个相对面上的管温度更接近地平衡，而仅在一侧被加热的管屏从管的热侧(吸热侧)到冷侧(非吸热侧)会具有不平衡管温度。跨越翼部屏管的两个相对面的温度平衡减少了热应力，并且由此可以减少由于疲劳和/或应力腐蚀而导致的管的失效。另外，在翼部组件上的有效吸热面积相对于只能在一侧上吸收热量的中部接收器组件上的吸热面积加倍了。加倍的吸热面积和降低的热应力的结合使翼部屏能够吸收单侧吸热屏所能吸收热量两倍以上热量。这显著地提升了收集器表面效率。理想地，应考虑的是，该技术可以通过减少压力零件数量和/或接收器数量、并且通过减少太阳能接收器的热损失并为定日镜的指向提供更优化的目标而提高设备效率，由此最终降低均化发电成本(LCOE).[0056]所述屏可以包括一个或多个加强结构或热罩。一般地，太阳能接收器处在高于地平面或水平面上的竖直支承结构的顶部。该竖直支承结构可以由基底支承。传热表面有利地包括未被末缚的相切的管屏，这允许管/管屏在水平和竖直方向上不受限制地热膨胀，由此消除额外的管应力。如本领域普通技术人员所知的，根据适用设计标准，管的大小、它们的材料、直径、壁厚、传热表面的数量以及布置方式基于所使用的温度和压力。所要求的管内工作流体的传热特性、循环倍率、点吸收率、质量流量等也是必须要考虑的重要参数。根据太阳能接收器所要安装的地理位置，也要考虑适用的地震载荷和设计标准。
[0057]应当注意的是，在一些实施例中，熔盐用作流过吸热屏的传热流体(HTF)。在此方面，熔盐在接近430° F(221°C，494° K)的温度时凝固。如果太阳能接收器的管屏由于有意停工或由于镜场意外故障而未暴露于光/热，那么熔盐可能快速地冷却并形成堵塞。被堵塞的管可能引起开机延迟，并且可能导致管失效。因此，典型地，快速排出熔盐的能力是太阳能接收器设计的一部分。用于排出熔盐的阀和额外的管线未在本文中描述，但是应当考虑为存在这些阀和管线。本发明也考虑了使用水、蒸汽或任何其它传热流体，同时对太阳能接收器的其它部件可以做适当的修改。
[0058]首先，分开描述翼部组件和中部接收器组件的部件。图2至图4是包含双重暴露或两侧吸热的屏的翼部组件的多个前视图，各前视图在具有或不具有特定结构上有所不同并允许更好地理解本发明。
[0059]在图2中，两侧吸热屏200是可见的。吸热屏200包括管屏210。管屏210包括第一暴露面222和与第一暴露面相对的第二暴露面224(不可见；参见图5)。术语“暴露”表不来自定日镜的集中阳光可以被导向管屏的该表面。第一暴露面222和第二暴露面224也可以称作外表面，该外表面也表不它们能够接收来自定日镜的集中阳光。该第一暴露面和第二暴露面是大体平坦的表面。管屏210在上集管242和下集管250之间延伸。换句话说，管屏中的各管通过至少一个上集管和至少一个下集管互相连通。应当注意的是，在实际中，管屏可以包括多个上集管和下集管。管屏210也具有上边缘212、下边缘214、第一侧边缘216和第二侧边缘218。应当注意的是，在此视图中，人们可以看到管屏210和结构支承架300之间的结构。
[0060]结构支承架300在该翼部管屏的上边缘212、下边缘214、第一侧边缘216和第二侧边缘218的周围延伸。结构支承架300包括第一竖直柱310、第二竖直柱320、上水平梁330和下水平梁380。上水平梁330在第一竖直柱的上端312和第二竖直柱的上端322之间延伸。下水平梁380在第一竖直柱的下端314和第二竖直柱的下端324之间延伸。
[0061]如所看到的，第一竖直柱310与第一侧边缘216相邻，第二竖直柱320与第二侧边缘218相邻，上水平梁330与该翼部管屏的上边缘212相邻，下水平梁380与该翼部管屏的下边缘214相邻。翼部管屏210通过上集管242连接到结构支承架300。在此，该翼部管屏是顶部支承的。至少一个屏支承杆202在结构支承架300和上集管242之间延伸；在此示出了三个这样的屏支承杆。
[0062]一般地，翼部管屏210需要至少一个管程240、上集管242和下集管250。传热流体从入口集管流到出口集管(例如，此处上集管可以是入口集管)，并且在管程中被来自定日镜的太阳能加热。各管程240包括至少一个管，而一般包括多个这样的管。在图2中，示出了具有多个(这里为四个)管程的翼部管屏。在此所述的管屏和管程都是未被束缚的管结构以允许各管间不同的膨胀，由此减小管应力。可以使用例如特制高温黑漆来涂覆或油漆管的各暴露面以增加/最大化吸热。相邻的管程被布置使得传热流体以蜿蜒的方式向上流过一个管程并向下流过另一管程。可以使用各种流体流动布置方式以方便传热流体的排出并最小化通气口和排泄阀的数量。此处箭头表示一种流体流动布置方式。
[0063]在图3中，示出了两个加强结构。优选地，各加强结构从第一侧边缘216向第二侧边缘218横过管屏的第一面222和第二面224铺设。在此，第一加强结构401处于第一支承高度225处，第二加强结构402处于第二支承高度226处。这两个加强结构平行布置。如以下进一步解释的，各加强结构由两个支承组件形成，其中在管屏的每个面上有一个支承组件。各支承组件都包括支承管。在此，在该第一面上的支承管400是可见的。支承管406在第二面上提供加强结构。
[0064]一般地，加强结构的数量可以取决于承受风力和地震载荷的翼部管屏的最大非支承长度。在此方面，翼部管屏210可以考虑为分成上区230、中区232和下区234，这些区一般(但非必需)将该翼部管屏的暴露部分沿其高度分成相等的区。图中示出了处于上区230中的第一加强结构401和处于下区234中的第二加强结构402。换句话说，加强结构通常不定位在中区。这使得加强结构在峰值热流区外，并且降低了它们的工作温度。应当考虑的是，加强结构包括会由某种传热流体冷却的支承管，该种传热流体可以与穿过翼部管屏的传热流体相同或不同。例如，使用油或水可以消除启动或停机期间熔盐在加强结构中凝固的可能性。在此，加强结构被描述为由连接到上集管242和下集管250的支承管400部分形成，其使用的传热流体与穿过管屏210的传热流体相同。加强结构401、402是在管屏210的面222上延伸的支承管400的部分。该线路被最终设计成最小化温度和应力、允许加强结构独立热膨胀并且最小化启动期间流体凝固的可能性。该加强结构的外表面可以被涂漆或涂覆成降低/最小化吸热。
[0065]在图4中，结构支承架(不可见；参见图2)被示出为安装有热罩，热罩可保护该设计的某些零件不暴露于来自定日镜的集中阳光。结构支承架300在图4中不可见，但在图2中可见。在此，第一热罩340构造出了(框架形成)翼部管屏210的第一面222。而第二热罩360 (不可见；参见图5)构造出了翼部管屏的第二面224。在此方面，热罩340包括内边缘342，内边缘342形成该热罩中的窗口，通过该窗口可以看到翼部管屏210。热罩340可以认为包括上表面352、第一侧表面354、第二侧表面356和下表面358。虚线不出了翼部管屏210、上集管242和下集管250的轮廓。如所示，该热罩的内边缘342抵接翼部管屏的侧边缘216、218，但是也可以布置成在该热罩和管屏的侧边缘之间具有空隙或敞开空间以允许该管屏的边缘上有更多的太阳能，同时减少向热罩上溢出。各热罩340、360也可以考虑为都具有上表面、第一侧表面、第二侧表面和下表面。第一热罩和第二热罩一般由耐热材料制成。热罩也可以涂覆或油漆上反射高温的白漆以减少/最小化热吸收和/或工作温度。
[0066]图5是翼部组件的外部侧视图。在此，第一热罩340和第二热罩360是可见的。图中也示出了第一暴露面222和第二暴露面224。也示出了结构支承架的基底302和结构支承架的顶端304。应当注意的是，热罩370也处于结构支承架300的侧部上。
[0067]如图3中所示，加强结构用以支承并加强管屏。图6至图8A是加强结构的一个示例性实施例的不同视图。图6是该示例性实施例的平面图(即俯视图)。图7是示例性实施例的侧部剖视图。图8是该示例性实施例的前视图。图8A是其立体图。
[0068]参照图6，加强结构401由定位于该管屏相对的两个暴露面上的第一支承组件410和第二支承组件470形成。(返回参照图3，第一支承组件410是支承管400的一部分，第二支承组件470是支承管406的一部分。)各支承组件410包括支承管420、水平凸缘430和扇贝形棒440。支承管420应考虑为中空的并允许冷却流体从中穿过。水平凸缘430从该支承管向内朝向管屏210延伸。水平凸缘430内具有槽432。如所示，两个支承组件上的水平凸缘430、472彼此相对。扇贝形棒440具有接合管屏210的波状表面和在相对的表面上的凸耳448。该扇贝形棒由穿过凸耳448和槽432的销450连接到该支承管。该扇贝形棒由穿过焊接到某些屏管上的凸耳454的销452被紧密地保持(但未固定)到屏管460上，并且该扇贝形棒接合一个或多个屏管。将扇贝形棒440保持在管460和销452之间的凸耳454相对将扇贝形棒440连接到支承管420的凸耳448偏置。此允许屏管和扇贝形棒沿竖直方向独立于相对固定(竖直方向上)的支承组件进行一致的热膨胀。保护性套筒446可以定位在所示屏管和扇贝形棒之间，以当扇贝形棒和屏管之间发生任何相对运动(滑动接触)时保护管免于磨损和/或刨削。应当注意的是，在此只描述了一对凸缘和凸耳430、478，但是在各支承组件上可以具有其它的凸缘和凸耳以防止屏扭转并保持屏之间的对齐。类似地，只示出了附连到支承管420的一个扇贝形棒440，但是可以沿该支承管使用多个扇贝形棒，以例如当管屏内或管屏之间的管之间的竖直热膨胀有大的差异时，按需要加强单个宽的管屏或多个管屏。而且，各扇贝形棒440可以具有多个凸耳448。该加强结构可以由结构支承架(参见图3)支承。支承管可以附连或连接到该支承架的竖直柱，虽然未按此方式示出这些支承管。
[0069]该加强结构允许翼部管屏内各管进行独立热膨胀，并且允许加强结构和支承管进行独立热膨胀。扇贝形棒和支承管之间的销/槽布置允许支承管独立于翼部管屏中管的径向膨胀而进行轴向膨胀。(注意:支承管的轴线是水平的并且垂直于翼部管屏中的管的竖直轴线)。
[0070]上述支承系统允许各管460以各管间具有最小空隙的、各管正切的方式进行布置。此降低了穿过空隙的光的能量损失，并且因此增加了接收器的吸热和效率。在此可以看到各管460，它们的中部462沿该管屏的中线405。也可以考虑对该管的布局进行其它变型。
[0071]现在参照图7，在一些实施例中，支承组件的支承管420的直径可以与管屏的任一管460的直径不同，以使支承管具有额外刚度，并且用以加强该屏，并遮盖与该支承组件相关联的零件，由此降低零件的工作温度。在一些实施例中，支承管的直径425大于管屏中任一管460的直径465。支承管420可以认为具有内表面422和外表面424，其中，外表面暴露于来自定日镜的反射阳光中。可以涂覆或油漆该支承管的外表面424以减少/最小化吸热和/或工作温度。
[0072]参照图3，具体可以考虑加强结构的至少三种变型。第一，组成加强结构401、402的支承管400、406连接到上集管242和下集管250，使得它们使用与流过管屏210的流体相同的传热流体。然而，可以考虑支承管使用不同冷却流体的其它实施例。此可以通过例如将各支承管连接到独立的集管上而实现。第二，在此示出的支承管400为加强结构401、402提供支承组件。在其它实施例中，加强结构可以使用独立的支承管制得。例如，支承管可以横过第一支承高度225延伸，但是不横过第二支承高度226上延伸回来；如果必要，不同的支承管可以用于第二支承高度226处的加强结构。第三，如所示，加强结构401使用两个独立的支承管400、406。可以构想只有一个支承管用于加强结构的其它实施例。这可以例如通过将支承管形成为环绕管屏的长方形环面(torus)而实现。该单个支承管会提供与屏的第一表面相邻的加强结构401，然后包裹处于相同高度上的屏，并提供与屏的另一表面相邻的加强结构。在第二加强结构高度402处也可以通过相同的支承管或不同的支承管来实现。
[0073]也应当注意的是，在图3中，各支承管在同一侧上连接到管屏的上集管和下集管。例如支承管400沿第一侧边缘216同时连接到上集管242和下集管250。应当理解的是，此可以是不同的。例如，如果仅有一个加强结构，那么支承管400可以沿第一边缘216连接到上集管242，然后横过第一表面并沿第二侧边缘218连接到下集管。
[0074]如上所述，本发明的太阳能接收器包括翼部组件和中部接收器组件。现在描述一些不同的中部接收器组件。
[0075]图9是中部接收器组件的一个示例性实施例的各部件的分解剖视图。在此示例性实施例中，考虑传热流体(HTF)为蒸汽和水。一般地，中部接收器组件800具有内部支承结构810和至少一个中部管屏820。
[0076]在此所述的内部支承结构810从侧面看时为长方形，从上方看时为正方形(即俯面图)。在此，内部支承结构810由四个竖直塔架812和水平布置在各塔架之间三个高度上的加固梁814组装成。竖直塔架附连到基底816。内部支承结构810限定内部容间811，太阳能接收器的部件定位在该内部容间811中并且不暴露于集中阳光。例如，在此，竖直蒸汽/水分离器802定位在内部容间811中。内部容间811由外部管屏和阻挡穿过相切的未被束缚的管之间阳光的栅板保护而免受集中阳光的照射。在此示出的处于两个水平高度上的入口平台818用以提供进入该内部支承结构的内部容间中的通路。
[0077]在此描述的太阳能接收器具有用作蒸发器管屏822和过热器管屏824的两套不同中部管屏820。各中部管屏820在上集管826和下集管828之间延伸。竖直蒸汽/水分离器802在结构上和流体上与管屏822和824互相连通。内部支承结构810支承竖直蒸汽/水分离器802和中部管屏820。在加固梁814处，中部管屏820被安装到内部支承结构810。
[0078]如所示，接收器800的各侧包括一个蒸发器管屏822和一个过热器管屏824。两个主过热器(PSH)管屏824形成中部接收器组件800的一个角部，而两个次过热器(SSH)管屏824形成另一角部(未示出)。考虑到管的挠性，蒸发器管屏822和过热器屏824通常由紧密间隔的正切未被束缚的管(无膜)构成，在集管附近具有提供额外挠性的充裕的管弯头。管可以是小直径薄壁管以最小化热侧至冷侧和整个管壁的温度差和热应力。管屏可以同时在水平方向和竖直方向上进行热膨胀，由此最小化管应力。也可以考虑蒸发器管屏822和过热器管屏824的其它布置方式。例如，蒸发器管屏822和过热器管屏824可以不位于每一侧上，或者过热器管屏824可以不在角部处相交，或者甚至可以在给定侧上设置不同构造的多个蒸发器管屏822和过热器管屏824。
[0079]上集管826、下集管828和其它部件由绕中部接收器组件800的周缘延伸的热罩保护免于溢出和散离光能。上热罩840处于中部管屏820的上方，下热罩842处于中部管屏820的下方。热罩的暴露侧可以涂成白色以降低工作温度。热罩的背侧通常不是隔热的，以降低工作温度。热罩840、842和中部管屏820之间也可以存在空隙，以允许用于额外冷却的自然通风。
[0080]解释流体流动可有助于说明各部件之间的连接。中部接收器组件800被设计成用于自然循环，而无需要循环泵，但是也可以设置一个。进给水在接收器800的一半高度附近处进入竖直分离器802。此相对冷的水向下流过处于竖直分离器底部的下引管(未示出)。供应管850将水从下引管运送到蒸发器管屏822的下集管。来自定日镜的太阳能/热由向上流过蒸发器屏822的管中的水吸收，此水的密度小于离开竖直分离器802的水的密度，使得产生自然的泵送作用。水一蒸汽的混合物在蒸发器管屏822的顶部退出集管。上引管852将水一蒸汽的混合物运送到竖直分离器802，竖直分离器802将混合物分离成水和干燥的饱和蒸汽。被移除的水在竖直分离器802中向下流动以进行再循环。
[0081 ] 干燥的饱和蒸汽离开竖直分离器802的顶部并流过饱和蒸汽管线854到达处于主过热器屏824顶部的入口集管。从蒸发器屏822附近开始、蒸汽流过平行的主过热器屏824的管程。此布置将最冷的蒸汽推送蒸发器屏822附近以保护过热器屏824免于在启动时溢出。当蒸汽流过主过热器屏时，来自定日镜的太阳能/热量被蒸汽吸收以将温度提升到饱和温度以上。然后蒸汽退出主过热器屏824，进行混合，并流过恒温器856和相关联的管线858，然后分开并进入处于顶部的次过热器屏(不可见)。次过热器屏定位在中部接收器组件800的另一角部上。与主过热器类似，蒸汽蒸发器屏822附近开始流过平行的次过热器屏的管程。此布置将次过热器的最冷的蒸汽推送到蒸发器屏附近以保护过热器屏免于在启动时溢出。当蒸汽流过次过热器的通道时，来自定日镜的太阳能/热被蒸汽吸收以进一步提升温度。最终的过热蒸汽可以通过主蒸汽管(未示出)离开中部接收器组件800 (和太阳能接收器)。
[0082]图1OA是利用一侧吸热的中部管屏820，图1OB是该中部管屏的放大立体分解图。反射模块化屏挡光板836与管屏的吸热侧(即外侧)相对地定位于管830的后部(即中部管屏的非暴露面)。该挡光板设计成保护隔热部838、支承结构810和太阳能接收器的内部零件免受可能通过管屏的各未被束缚的正切管之间的空隙进入的雨或热暴露。挡光板的模块化设计简化了用于检测和/或维护的移除操作。挡光板836由金属板阵列组成，并且在管侧上涂覆白漆或其它反光性材料，以使反射回所述管的光能最大化，并降低该挡光板的工作温度。挡光板由管附连结构即加固梁支承系统814支承。在挡光板后部(即太阳能接收器的另一内部)的是由防护套覆盖的隔热部838。[0083]可替换地，在太阳能接收器的另一示例性实施例中，应考虑的是，传热流体(HTF)是熔盐。图11是示出了使用熔盐作为流体流过中部接收器组件800的示意图。在此示意图中，流体流过太阳能接收器的两侧(即两个管屏884、886)。通过该接收器另外两侧的第二平行和独立控制的流道未被示出，但是二者是完全相同的。开始，上引管870从冷储存罐801中提供冷熔盐到熔盐入口容器860中，例如，“冷”熔盐可以从温度大约为550° F的冷储存罐中被泵送。入口管872将入口容器860流体地连接到第一管屏入口 874。图中也示出了位于管程之间的跨接管896。第一管屏出口 876通过交叉管875流体地连接到第二管屏入口 878。出口管882将第二管屏出口 880流体上连接到熔盐出口容器862。传热流体可以从入口容器860流过第一管屏884和第二管屏886到达出口容器862。下引管888从出口容器862向下引回到水平面，在此处，“热”流体可以流入热储存罐803中。
[0084]出口管882和出口容器862是可选择的、非必要的，其由虚线示出。如果没有出口容器，传热流体从第二管屏出口 880通过出口管891直接流到下引管888。旁路管线890也将上引管870连接到下引管888。如果需要，该旁路流道可以阻止传热流体流过管屏884、886。
[0085]此完成了能量收集过程。在传热流体中所储存的热能可以用于产生蒸汽和电能。例如，此可以通过将热的传热流体从热储存罐803泵送通过热交换器805的壳侧而实现。水进入热交换器805的管侧并转化成蒸汽。蒸汽可以被送到汽轮机807，汽轮机807驱动发电机809。然后，离开热交换器的、较冷的传热流体返回到冷储存罐801中，在此，该传热流体被泵送到接收器以重复上述能量收集过程。
[0086]对于熔盐接收器，管屏必须是充分可排放的并且是可通风的。当日落而不使用时或有效太阳能太低时，该接收器通常被排放。熔盐在接近430° F(221°C，494° K)的温度时凝固。如果不被排放，盐可能在管内凝结，阻塞接收器并且可能使管破裂。如在此所看到的，太阳能接收器可以包括用于各独立流道的通气阀892，这些通气阀都通过下引管888的顶部进行通气。该通气阀通常定位在下引管888的顶部附近，并且也示出的通气管线894将各流道连接到下引管。通常为每对管屏设置一个排放阀897，并且排放阀897定位在管屏的下方。排放管线898也被示出了，并且连接到下引管888，使得存在于管屏中的熔盐被排出并流入下引管888。通气阀和排泄阀是自动控制的。
[0087]应当注意到，在图11中，所示各管为相对直的流道。然而，本领域普通技术人员应当理解的是，它们在布置方式和长度上的实际设计由适应太阳能工作期间由于热膨胀和收缩所引起的预期运动所需的挠性程度决定。因此，可能的是，其它弯曲或长度是必要的以提供这样的挠性。
[0088]图12是使用熔盐的已组装的中部接收器组件的立体图。在底部，上引管870进入入口容器860。熔盐入口容器860定位在可选的出口容器862的下方。熔盐入口容器860也定位在中部管屏820下方。换句话说，中部管屏820 (在结构上和流体上)定位在入口容器860和可选的出口容器862的下方。下引管888也是可见的。上烤箱(加热箱)864包覆中部管屏820的上集管。在此方面，这些烤箱使用电加热器元件来在充满流体之前预热中部管屏820的、未暴露于集中太阳能热流的区域。在启动时，预热是必要的，以确保在将传热流体引流通过中部接收器组件800之前与传热流体接触的所有金属被至少加热到与冷的传热流体相关联的温度。上热罩840定位在中部管屏820的上集管的上方和上烤箱864的上方。下热罩476定位在中部管屏820的下集管的下方和下烤箱866的下方。在中部接收器组件的顶部，内部支承结构810与可选的出口容器862 —样是可见的。
[0089]图13至图17示出了本发明太阳能接收器的示例性实施例的多个视图。该太阳能接收器包括中部接收器组件和至少一个翼部组件。一般地，中部接收器组件的每个角都有一个翼部组件。在所示实施例中，中部接收器组件是正方形的并具有四个翼部组件。
[0090]图13是示出了四边形中部接收器组件910中的管屏920和四个翼部组件930的太阳能接收器900的平面图，其中，移除了支承结构。中部接收器组件的四边是中部管屏920，中部管屏920在中部接收器组件的外部上具有暴露的第一面922以及在中部接收器组件的内部上的非暴露第二面924。在中部接收器组件中存在有内部容间911。翼部组件930从中部接收器组件的各角部913延伸出。在此四边形构造中的翼部组件垂直于邻近的翼部组件。一般地，中部接收器组件可以是具有任意数量翼部组件的、具有任意η边的多边形。
[0091]图14是太阳能接收器的轴测图，其中热罩放置在位。图15是太阳能接收器的正视图，其中热罩放置在位。中部接收器组件910具有定位在中部管屏920上方的上热罩912和定位在该中部管屏下方的下热罩914。热罩960构成翼部管屏990的各暴露面992、994。热罩960可以考虑为包括上表面962、下表面964和侧表面966。该翼部组件热罩的侧表面966定位成远离中部接收器组件。在翼部组件930的侧部上的侧部热罩970也是可见的。
[0092]参照图14，在中部管屏920和翼部管屏990之间的内部敞开空间932是可见的，并且在此区域内没有热罩。在翼部组件热罩的侧表面966和翼部管屏的侧边缘995之间存在有外部敞开空间934。这些敞开空间造成独立式(free-standing)的翼部管屏。该布置方式允许定日镜在翼部管屏的整个宽度方向上更均匀地聚焦，此一般需要一些定日镜朝向边缘聚焦。敞开空间提供有可以减少集中阳光溢出到热罩上的缓冲器。被集中的阳光可以从翼部管屏的一侧穿过该敞开空间到达另一侧。然而，可能的是，根据集中阳光的定向和方向，穿过的集中阳光会照射到太阳能接收器上的另一管屏。
[0093]水平热罩915也定位在中部管屏920的上方，并且延伸到翼部组件的远端936。水平热罩915在构成中部管屏的高度处或沿翼部组件热罩的内边缘968处(参见图15)进行定位。中部接收器组件的上热罩912、中部接收器组件的下热罩914和翼部组件的热罩970都可以被涂覆/油漆以减少/最小化吸热。翼部管屏990的暴露第一表面992和暴露第二表面994可以被涂覆/油漆以增加/最大化吸热，如同中部管屏920的第一暴露表面922 (参见图15)那样。
[0094]图16是太阳能接收器的轴测图，其中移除了热罩以显示某些处于下部的结构。图17是太阳能接收器的前视图，其中移除了热罩。
[0095]在此描述的实施例是水作为传热流体的蒸汽/水太阳能接收器，所以包括竖直的蒸汽/水产生器901 (参见图15)。中部接收器组件的内部支承结构904也是可见的并且延伸到管屏的上方。在此描述的用于翼部组件的结构支承架940包括处于远端936的第一竖直柱942。上水平梁948从第一竖直柱的上端944延伸到内部支承结构上的上连接部(附图标记为908)。下水平梁950定位在翼部管屏的下方并且从第一竖直柱的下端946延伸到内部支承结构904上的下连接部(附图标记为956)。如所示，该下水平梁被连接但不固定到该内部支承结构以允许不同程度的热膨胀；然而，也可以考虑其它的实施例。上水平梁948和下水平梁950是彼此大体平行的，但是这不是必须的。[0096]在图16和图17中也可见的是定位于翼部管屏上的第一支承高度991和第二支承高度993处的第一加强结构980和第二加强结构984。这些加强结构与图6至图8A所述的加强结构类似，并且各加强结构的第一支承组件982、986是可见的。应当注意的是，在此，第一加强结构的第一支承组件982通过中间管903流体地连接到第二加强结构的第一支承组件986。另外，第一加强结构的第一支承组件982通过入口管902流体地连接到翼部管屏的上集管996。第二加强结构的的第一支承组件986通过出口管905流体地连接到翼部管屏的下集管998。在此方面，传热流体可以流过该支承组件的支承管以冷却该支承组件。可替换地，各加强结构的支承组件可以流体上连接到中部接收器组件上的中部管屏。
[0097]因为所描述的实施例是将水作为传热流体的蒸汽/水太阳能接收器，所以从竖直分离器901的顶部延伸到翼部管屏的上集管996的饱和管线906是可见的。在此方面，中部管屏用作蒸发器屏以将水转化成水/蒸汽混合物。然后，翼部管屏用作过热器屏。可替换地，中部管屏可以用作过热器屏，而翼部管屏用作蒸发器屏。熔盐太阳能接收器会以类似方式布置，但是不会有竖直分离器，并且熔盐管线会将翼部屏连接到中部管屏。
[0098]应当注意的是，中部管屏的构造可以与翼部管屏的构造不同。在诸如蒸汽/水太阳能接收器等具体实施例中，中部管屏中的管可以具有螺旋形内部肋，或者换句话说，具有螺旋形肋的管可以用于中部管屏，特别是当这些屏用作蒸发器屏时。此允许仅在一侧上加热的中部管屏中输入更多的热量，这提高了最大实际加热效率。此允许太阳能接收器被设计成用于自然循环或强制循环，其中入射热流可以比光滑孔管大两倍或三倍。可替换地，螺旋弹簧线插入件、扭带插入件、纵向内部翅片、多孔表面涂层、机加工的表面特征或任何其它的内部流动热量传送增强策略都可以用于中部管屏的管中。这些增强特征不用在翼部管屏上，因为其已经暴露于两倍的集中阳光，并且由于减少的热应力(由于同时暴露在两个表面上)而可以吸收更多的热流量。由此制成的太阳能接收器可以在捕获有效太阳能上具有显著提高的效率，同时允许整个太阳能接收器的尺寸减少同时仍旧可以捕获同样总量的太阳能，或者允许等同尺寸的太阳能接收器来捕获更多的太阳能。
[0099]已参照示例性实施例描述了本发明。明显地，在阅读和理解了前述【具体实施方式】后，其他人可以进行修改和变动。其意图是如果这些修改和变动落在所附权利要求和等同内容的范围内，那么本发明应理解为包括所有这些修改和变动。
【权利要求】
1.一种太阳能接收器，包括: 中部接收器组件，包括内侧支承结构和至少一个外侧中部管屏，所述内侧支承结构限定内部容量，所述至少一个外侧中部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通，并且所述至少一个外侧中部管屏布置在所述内侧支承结构的外表面上，同时所述至少一个外侧中部管屏具有暴露的第一表面和非暴露的第二表面；和 至少一个翼部组件，所述翼部组件从所述中部接收器组件延伸，各所述翼部组件具有翼部管屏，所述翼部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中，所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通，并且各所述翼部管屏具有第一暴露面和与所述第一暴露面相对的第二暴露面。
2.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述翼部组件还包括结构支承架，所述结构支承架包括: 第一竖直柱； 从所述第一竖直柱的上端到所述内侧支承结构的上连接部延伸的上水平梁；以及 从所述第一竖直柱的下端到所述内侧支承结构的下连接部延伸的下水平梁。
3.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，还包括第一加强结构，所述第一加强结构在第一支承高度处从所述第一侧边缘到所述第二侧边缘横过所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述第二暴露面延伸。
4.如权利要求3所述的太阳能接收器，其特征在于，各加强结构由所述翼部管屏的所述第一暴露面上的第一支承组件和所述翼部管屏的所述第二暴露面上的第二支承组件形成，各支承组件包括: 支承管； 从所述支承管延伸并在其中具有槽的水平凸缘；以及 接合所述管屏并具有至少一个凸耳的扇贝形棒，所述扇贝形棒由穿过所述至少一个凸耳和所述水平凸缘的所述槽的销而接合所述水平凸缘。
5.如权利要求4所述的太阳能接收器，其特征在于，各支承组件的所述支承管的直径大于所述翼部管屏中任何管的直径。
6.如权利要求4所述的太阳能接收器，其特征在于，所述第一加强结构的所述第一支承组件流体连接到所述翼部管屏的入口集管或者流体连接到所述至少一个外侧中部管屏。
7.如权利要求3所述的太阳能接收器，其特征在于，还包括第二加强结构，所述第二加强结构在所述第二支承高度处从所述第一侧边缘到所述第二侧边缘横过所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述第二暴露面进行延伸。
8.如权利要求7所述的太阳能接收器，其特征在于，所述第一支承高度和所述第二支承高度不处于所述翼部管屏的中区。
9.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述中部接收器组件还包括定位在所述至少一个外侧中部管屏上方的上热罩和定位在所述至少一个外侧中部管屏下方的下热罩；并且 其中，所述翼部组件还包括具有定位在所述翼部管屏上方的上表面、定位在所述翼部管屏下方的下表面以及远离所述中部接收器组件定位的侧表面。
10.如权利要 求9所述的太阳能接收器，其特征在于，在所述翼部组件热罩的侧表面和所述翼部管屏的侧边缘之间存在有敞开空间。
11.如权利要求9所述的太阳能接收器，其特征在于，还包括定位在所述至少一个外侧中部管屏上方的水平热罩。
12.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述第二暴露面被涂漆以增加吸热。
13.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述至少一个外侧中部管屏包括具有螺旋形内部肋的壁管。
14.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述内侧支承结构具有矩形横截面，所述中部接收器组件具有四个外侧中部管屏，并且共有四个翼部组件从所述中部接收器组件的角部延伸出。
15.—种太阳能系统,包括: 如权利要求1所述的太阳能接收器；和 构造成将阳光朝向所述中部管屏的所述第一表面、所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述翼部管屏的所述第二暴露面引导的镜场。
【文档编号】F24J2/06GK103946642SQ201280056260
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年11月15日 优先权日:2011年11月16日
【发明者】M·J·阿尔布雷克特, K·C·亚历山大, S·P·扬纳克其恩, J·M·马歇尔, J·A·珀尔辛格, D·T·瓦西卢克 申请人:巴布科克和威尔科克斯能量产生集团公司
【专利摘要】本发明在各实施例中涉及太阳能接收器，包括具有中部接收器组件和至少一个“翼部”组件。翼部组件包括双重暴露或两侧吸热屏，并且由从中部接收器组件延伸出的结构部件支承。中部接收器组件和翼部组件的吸收屏其配管的设计和大小可以是不同的。此处各实施例揭示了太阳能接收器，该接收器包括中部接收器组件和，翼部组件。中部接收器组件包括内部支承结构和至少一个外部中间管屏。
【专利说明】高效太阳能接收器
[0001]相关文件的交叉引用
[0002]本申请要求于2011年11月16日提交的、申请号为61/560，631的美国专利临时申请的优先权。在此，该申请的全部内容通过参见的方式合并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明总体上涉及用于产生电能的太阳能发电领域。更具体地，本发明涉及双重暴露或两侧吸热的板和具有一个或多个所述板的太阳能接收器。这些太阳能接收器设计可以用于集中式太阳能塔技术(也称为集中式太阳能发电技术，CSP)以利用太阳能来产生“绿色”电能。
【背景技术】
[0004]太阳能接收器是太阳能发电系统的主要部件，通过太阳能接收器，阳光被用作热源以最终产生过热的高质量蒸汽，而蒸汽又被用以驱动汽轮发电机，并使用兰金循环最终产生电能，或者为其它热处理提供蒸汽。
[0005]一般地，太阳能接收器被定位在高于地平面的高架支承塔的顶部。太阳能接收器被战略性地定位在一组反光表面即定日镜(或镜子)的场地中，这些反光表面收集太阳光线，然后将这些光线反射回来并集中到该太阳能接收器的吸热表面。然后，太阳能由流过太阳能接收器的工作传热流体(HTF)吸收。这些反光表面可以在整个白天于不同位置定向以跟踪太阳并最大化反射到该接收器吸热表面上的阳光。
[0006]太阳能接收器是管的组件，水、蒸汽、熔盐或其它传热流体(HTF)在这些管中流动。在太阳能接收器的这些管中的传热流体吸收被集中的太阳能，使传热流体温度上升并且/或者发生相变，使得传热流体获得太阳能。然后，被加热的传热流体被直接运送到汽轮发电机以产生电能或者被间接运送到储存罐中以备日后使用。
[0007]太阳能接收器设计通常包括具有竖直定向管的屏，即管屏，以及用于将管屏维持在合适位置的支承结构和其它关联设备(泵、管线、储存容器、热罩等)。在常规设计中，太阳能接收器具有正方形、长方形或圆形横截面(从上向下看的俯视图中)。这些管屏布置在该横截面的外部上，使得来自镜场的太阳能被导向(或被吸收)到管屏的仅一个面。在例如名称为“工厂组装的太阳能接收器热交换器(Shop-Assembled Solar ReceiverHeat Exchanger) ”并授予巴布考克和威尔克斯发电集团公司(Babcock&Wilcox PowerGeneration Group, Inc.)的美国专利第12/605，241号中描述了上述管屏,在此,该申请的全部内容通过参见的方式合并入本文。
[0008]在此方面，图1是上述一个太阳能接收器设计100的俯视图(即从上方看)，该太阳能接收器具有四个被设置成正方形的管屏110、120、130、140。各管屏具有一个接收来自镜场的太阳能的外表面112、122、132、142以及一个不接收该太阳能的内表面114、124、134,144ο
[0009]管屏的不接收太阳能的内表面一般具有加固梁系统，该加固梁系统支承所述屏以承受强风、地震力以及热感应力。典型地，该加固梁系统包括“工”字型横梁或其它的结构钢形状，横梁或结构钢以使得该管屏可以独立于支承结构本身并独立于其它管和屏膨胀的方式被夹在管屏上。一般地，将夹具焊接到管上，使得当将热施加于该管时，管屏可以相对于固定支承结构移动，而该支承结构仍可为该管屏提供刚性。在太阳能接收器上，管屏中的管并未如同在矿石燃料燃烧锅炉中一样沿它们的轴线(即膜式构造)焊接在一起，而是未被束缚的构造。此允许管在当加热时独立于彼此进行膨胀。由此，各管必须具有夹具以附连到处于一定支承高度上的加固梁。
[0010]理想的是，提供一种使用传热流体并且设计简单、模块化且经济的体积较小的太阳能接收器。
【发明内容】
[0011]本发明在各个实施例中涉及包括中部接收器组件和至少一个“翼部”组件的太阳能接收器。该翼部组件包括双重暴露或两侧吸热的吸热屏，并且由从中部接收器组件延伸的结构部件支承。在中部接收器组件中的吸热屏和在翼部组件中的吸热屏可以在它们的管道设计和大小上有所不同。
[0012]本文在多个实施例中公开的是包括中部接收器组件和翼部组件的太阳能接收器。中部接收器组件包括内侧支承结构和至少一个外侧中部管屏。该内侧支承结构限定内部容量。所述至少一个外侧中部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通。外侧中部管屏布置在该内侧支承结构的外表面上，同时该外侧中部管屏具有暴露的第一表面和非暴露的第二表面。该翼部组件从中部接收器组件延伸，各翼部组件具有翼部管屏。该翼部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中，所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通。各翼部管屏具有暴露的第一面和与该第一面相对的、暴露的第二面。
[0013]该翼部组件还可以包括结构支承架，所述结构支承架包括:第一竖直柱；在该第一竖直柱的上端和该内侧支承结构的上连接部之间延伸的上水平梁；以及从该第一竖直柱的下端到该内侧支承结构的下连接部延伸的下水平梁。
[0014]至少一个屏支承杆可以在该结构支承架和翼部管屏的上集管之间延伸。
[0015]该太阳能接收器还可以包括:第一加强结构，该第一加强结构在第一支承高度处从第一侧边缘到第二侧边缘横过该翼部管屏的第一表面和第二表面进行延伸。有时，也存在有第二加强结构，该第二加强结构在第二支承高度处从第一侧边缘到第二侧边缘横过该翼部管屏的第一表面和第二表面延伸。
[0016]在实施例中，各加强结构由该翼部管屏的第一表面上的第一支承组件和该翼部管屏的第二表面上的第二支承组件形成。各支承组件包括:支承管；从该支承管延伸并在其中具有槽的水平凸缘；以及接合该管屏并具有至少一个凸耳的扇贝形棒，该扇贝形棒由穿过至少一个凸耳和该水平凸缘的槽的销而接合该水平凸缘。
[0017]各支承组件可以具有不同于该翼部管屏中任何管的直径，并且在一些实施例中大于该翼部管屏中任何管的直径。各支承管的外表面可以被涂漆成减少吸热。
[0018]在一些实施例中，第一加强结构的第一支承组件流体连接到第二加强结构的第一支承组件。第一加强结构的第一支承组件可以在流体连接到该翼部管屏的入口集管或者流体连接到至少一个外侧中部管屏。在另一些实施例中，第一支承高度和第二支承高度不处于该翼部管屏的中区。根据两侧吸热屏的高度，可以考虑其它加强结构。
[0019]中部接收器组件还可以包括定位在外侧中部管屏上方的上热罩和定位在外侧中部管屏下方的下热罩。该翼部组件也还包括具有定位在该翼部管屏上方的上表面、定位在该翼部管屏下方的下表面以及远离该中部接收器组件定位的侧表面。在该翼部组件热罩的侧表面和该翼部管屏的侧边缘之间可以存在有敞开空间。有时，太阳能接收器还可以包括定位在外侧中部管屏上方的水平热罩。
[0020]上热罩、下热罩和翼部组件热罩可以涂成白色以减少吸热。类似地，该翼部管屏的第一面和第二面可以涂成黑色以增加吸热。
[0021]各翼部管屏可以包括多个管程，相邻的管程被布置成使得传热流体以蜿蜒的方式向上流过一个管程并向下流过另一个管程。
[0022]如果传热流体是水或蒸汽，那么该太阳能接收器还可以包括竖直水/蒸汽分离器以将饱和水从干燥的饱和蒸汽中分离，由此进一步过热该干燥蒸汽。可替换地，如果传热流体是熔盐，那么该太阳能接收器还可以包括熔盐入口容器和熔盐出口容器。
[0023]该外侧中部管屏可以包括具有螺旋形内部肋的壁管。
[0024]在具体实施例中，该内侧支承结构具有矩形横截面，该中部接收器组件具有四个中部管屏，并且共有四个翼部组件从该中部接收器组件的角部延伸出。
[0025]本文也公开了一种太阳能系统，包括:具有上述中部接收器组件和翼部组件的太阳能接收器；和构造成将阳光朝向该中部管屏的第一表面、该翼部管屏的第一暴露面和该翼部管屏的第二暴露面弓I导的镜场。
[0026]下面将更具体地描述本发明的这些和其它非限定性方面和/或目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]以下是【专利附图】
【附图说明】，该说明用以描述本文公开的示例性实施例，而不是用以限制本发明。
[0028]图1是具有正方形定向的中部接收器组件设计的俯视图(即顶部视图)，各管屏(管板)具有一个暴露的外部表面和一个非暴露内部的表面。
[0029]图2是可以用在本发明太阳能接收器翼部组件中的双重暴露吸热屏(吸热板)的第一前视图。在本图中，移除了热罩和屏加强支承结构以提供内部视图。
[0030]图3是图2的双重暴露吸热屏的第二前视图。在本图中，屏加强支承结构是可见的，并且移除了热罩以提供另一内部视图。
[0031]图4是图2的双重暴露吸热屏的外部正视图。此图中，热罩放置到位置。
[0032]图5是图4的双重暴露吸热屏的外部侧视图。
[0033]图6是示出了翼部管屏的一部分以及用于该翼部管屏的加强结构的一部分的平面图。
[0034]图7是图6所示的管屏的一部分以及用于该管屏的加强结构的一部分的侧面剖视图。
[0035]图8是图6所示的翼部管屏和加强结构的部分的正视图。
[0036]图8A是图6所示的翼部管屏和加强结构的部分的立体图。[0037]图9是使用竖直水/蒸汽分离器的中部接收器组件的分解图。
[0038]图1OA是安装在该中部接收器组件上的中央管屏的侧面剖视图。
[0039]图1OB是图1OA的管屏的放大立体分解图。
[0040]图11是流体流过中部接收器组件的示意图，其中使用熔盐作为传热流体。
[0041]图12是使用熔盐作为传热流体的已组装中部接收器组件的立体图。
[0042]图13是包括中部接收器组件和翼部组件的本发明太阳能接收器的平面图。
[0043]图14是图13的太阳能接收器的等轴测视图，其中热罩放置到位。
[0044]图15是图13的太阳能接收器的前视图，其中热罩放置到位。
[0045]图16是图13的太阳能接收器的等轴测视图，其中移除了热罩。
[0046]图17是图13的太阳能接收器的前视图，其中移除了热罩。
【具体实施方式】
[0047]通过参照附图可以更完整地理解本文公开的过程和装置。这些附图只是基于说明现有技术和/或本领域发展的方便性和容易性而示出的示意性视图，因此不是意为指定其组件或部件的相关大小和尺寸。
[0048]虽然为了清晰在以下说明中使用了特定术语，但是这些术语仅意为表示附图中选定用以说明的、实施例的具体结构，而不是意为限定或限制本发明的范围。在附图中和以下【具体实施方式】中，应当理解的是，相同的附图标记用于表示具有相同作用的部件。
[0049]与数量结合使用的修饰词“大约”包括所述值，并且具有上下文所表示的意义(例如，它至少包括与具体数量的测量值相关联的误差度)。当该词与具体值一起使用时，也应当考虑为公开该值。例如，术语“大约2”也公开值“2”，范围“从大约2到大约4”也公开范围“从2到4”。
[0050]应当注意的是，本文使用的许多术语是相对性的术语。例如，术语“内部(内侧)”、“外部(外侧)”、“向内”和“向外”是相对于中部的，而不应当理解为要求该结构的具体定向或定位。类似地，术语“上”和“下”是在位置上相对于彼此的，即上部件处在高于下部件的高度处。
[0051]术语“水平”和“竖直”用以表示相对于绝对参照物即地平面的方向。但是，这些术语不应当理解为要求各结构相对于彼此完全平行或完全垂直。例如，第一竖直结构和第二竖直结构不一定是彼此平行的。
[0052]术语“平面”在本文中一般用以表示共同的准高，并且应当理解为表示体积(volume),而不应理解为表示平坦的表面。
[0053]解释太阳能接收器、锅炉和/或蒸汽发电机领域的特定术语或原理对于理解本发明是必要的，从这个意义上讲，读者可参考巴布考克&威尔克斯公司的Stultz和Kitto著的《蒸汽的产生和使用(Steam/Its Generation And Use)》第40版,版权所有1992,以及巴布考克&威尔克斯公司的Stultz和Kitto著的《蒸汽的产生和使用(Steam/ItsGeneration And Use)》第41版，版权所有2005，其二者的内容通过参见的方式合并入本文，如同在本文中充分阐述一样。
[0054]本发明涉及包括中部接收器组件和至少一个“翼部”组件的太阳能接收器。该翼部组件包括双重暴露的或两侧的吸热屏，并且由从中部接收器组件延伸的结构部件支承。在中部接收器组件中的和在翼部组件中的吸热屏可能在它们的管道设计和大小上有所不同。
[0055]在翼部组件中的两侧吸热屏被设计成在两个相对侧或相对面上接收热量，而不是只在一侧或一面上接收热量。与仅在一侧被加热的管屏相比，本发明的特征使该翼部组件的两个相对面上的管温度更接近地平衡，而仅在一侧被加热的管屏从管的热侧(吸热侧)到冷侧(非吸热侧)会具有不平衡管温度。跨越翼部屏管的两个相对面的温度平衡减少了热应力，并且由此可以减少由于疲劳和/或应力腐蚀而导致的管的失效。另外，在翼部组件上的有效吸热面积相对于只能在一侧上吸收热量的中部接收器组件上的吸热面积加倍了。加倍的吸热面积和降低的热应力的结合使翼部屏能够吸收单侧吸热屏所能吸收热量两倍以上热量。这显著地提升了收集器表面效率。理想地，应考虑的是，该技术可以通过减少压力零件数量和/或接收器数量、并且通过减少太阳能接收器的热损失并为定日镜的指向提供更优化的目标而提高设备效率，由此最终降低均化发电成本(LCOE).[0056]所述屏可以包括一个或多个加强结构或热罩。一般地，太阳能接收器处在高于地平面或水平面上的竖直支承结构的顶部。该竖直支承结构可以由基底支承。传热表面有利地包括未被末缚的相切的管屏，这允许管/管屏在水平和竖直方向上不受限制地热膨胀，由此消除额外的管应力。如本领域普通技术人员所知的，根据适用设计标准，管的大小、它们的材料、直径、壁厚、传热表面的数量以及布置方式基于所使用的温度和压力。所要求的管内工作流体的传热特性、循环倍率、点吸收率、质量流量等也是必须要考虑的重要参数。根据太阳能接收器所要安装的地理位置，也要考虑适用的地震载荷和设计标准。
[0057]应当注意的是，在一些实施例中，熔盐用作流过吸热屏的传热流体(HTF)。在此方面，熔盐在接近430° F(221°C，494° K)的温度时凝固。如果太阳能接收器的管屏由于有意停工或由于镜场意外故障而未暴露于光/热，那么熔盐可能快速地冷却并形成堵塞。被堵塞的管可能引起开机延迟，并且可能导致管失效。因此，典型地，快速排出熔盐的能力是太阳能接收器设计的一部分。用于排出熔盐的阀和额外的管线未在本文中描述，但是应当考虑为存在这些阀和管线。本发明也考虑了使用水、蒸汽或任何其它传热流体，同时对太阳能接收器的其它部件可以做适当的修改。
[0058]首先，分开描述翼部组件和中部接收器组件的部件。图2至图4是包含双重暴露或两侧吸热的屏的翼部组件的多个前视图，各前视图在具有或不具有特定结构上有所不同并允许更好地理解本发明。
[0059]在图2中，两侧吸热屏200是可见的。吸热屏200包括管屏210。管屏210包括第一暴露面222和与第一暴露面相对的第二暴露面224(不可见；参见图5)。术语“暴露”表不来自定日镜的集中阳光可以被导向管屏的该表面。第一暴露面222和第二暴露面224也可以称作外表面，该外表面也表不它们能够接收来自定日镜的集中阳光。该第一暴露面和第二暴露面是大体平坦的表面。管屏210在上集管242和下集管250之间延伸。换句话说，管屏中的各管通过至少一个上集管和至少一个下集管互相连通。应当注意的是，在实际中，管屏可以包括多个上集管和下集管。管屏210也具有上边缘212、下边缘214、第一侧边缘216和第二侧边缘218。应当注意的是，在此视图中，人们可以看到管屏210和结构支承架300之间的结构。
[0060]结构支承架300在该翼部管屏的上边缘212、下边缘214、第一侧边缘216和第二侧边缘218的周围延伸。结构支承架300包括第一竖直柱310、第二竖直柱320、上水平梁330和下水平梁380。上水平梁330在第一竖直柱的上端312和第二竖直柱的上端322之间延伸。下水平梁380在第一竖直柱的下端314和第二竖直柱的下端324之间延伸。
[0061]如所看到的，第一竖直柱310与第一侧边缘216相邻，第二竖直柱320与第二侧边缘218相邻，上水平梁330与该翼部管屏的上边缘212相邻，下水平梁380与该翼部管屏的下边缘214相邻。翼部管屏210通过上集管242连接到结构支承架300。在此，该翼部管屏是顶部支承的。至少一个屏支承杆202在结构支承架300和上集管242之间延伸；在此示出了三个这样的屏支承杆。
[0062]一般地，翼部管屏210需要至少一个管程240、上集管242和下集管250。传热流体从入口集管流到出口集管(例如，此处上集管可以是入口集管)，并且在管程中被来自定日镜的太阳能加热。各管程240包括至少一个管，而一般包括多个这样的管。在图2中，示出了具有多个(这里为四个)管程的翼部管屏。在此所述的管屏和管程都是未被束缚的管结构以允许各管间不同的膨胀，由此减小管应力。可以使用例如特制高温黑漆来涂覆或油漆管的各暴露面以增加/最大化吸热。相邻的管程被布置使得传热流体以蜿蜒的方式向上流过一个管程并向下流过另一管程。可以使用各种流体流动布置方式以方便传热流体的排出并最小化通气口和排泄阀的数量。此处箭头表示一种流体流动布置方式。
[0063]在图3中，示出了两个加强结构。优选地，各加强结构从第一侧边缘216向第二侧边缘218横过管屏的第一面222和第二面224铺设。在此，第一加强结构401处于第一支承高度225处，第二加强结构402处于第二支承高度226处。这两个加强结构平行布置。如以下进一步解释的，各加强结构由两个支承组件形成，其中在管屏的每个面上有一个支承组件。各支承组件都包括支承管。在此，在该第一面上的支承管400是可见的。支承管406在第二面上提供加强结构。
[0064]一般地，加强结构的数量可以取决于承受风力和地震载荷的翼部管屏的最大非支承长度。在此方面，翼部管屏210可以考虑为分成上区230、中区232和下区234，这些区一般(但非必需)将该翼部管屏的暴露部分沿其高度分成相等的区。图中示出了处于上区230中的第一加强结构401和处于下区234中的第二加强结构402。换句话说，加强结构通常不定位在中区。这使得加强结构在峰值热流区外，并且降低了它们的工作温度。应当考虑的是，加强结构包括会由某种传热流体冷却的支承管，该种传热流体可以与穿过翼部管屏的传热流体相同或不同。例如，使用油或水可以消除启动或停机期间熔盐在加强结构中凝固的可能性。在此，加强结构被描述为由连接到上集管242和下集管250的支承管400部分形成，其使用的传热流体与穿过管屏210的传热流体相同。加强结构401、402是在管屏210的面222上延伸的支承管400的部分。该线路被最终设计成最小化温度和应力、允许加强结构独立热膨胀并且最小化启动期间流体凝固的可能性。该加强结构的外表面可以被涂漆或涂覆成降低/最小化吸热。
[0065]在图4中，结构支承架(不可见；参见图2)被示出为安装有热罩，热罩可保护该设计的某些零件不暴露于来自定日镜的集中阳光。结构支承架300在图4中不可见，但在图2中可见。在此，第一热罩340构造出了(框架形成)翼部管屏210的第一面222。而第二热罩360 (不可见；参见图5)构造出了翼部管屏的第二面224。在此方面，热罩340包括内边缘342，内边缘342形成该热罩中的窗口，通过该窗口可以看到翼部管屏210。热罩340可以认为包括上表面352、第一侧表面354、第二侧表面356和下表面358。虚线不出了翼部管屏210、上集管242和下集管250的轮廓。如所示，该热罩的内边缘342抵接翼部管屏的侧边缘216、218，但是也可以布置成在该热罩和管屏的侧边缘之间具有空隙或敞开空间以允许该管屏的边缘上有更多的太阳能，同时减少向热罩上溢出。各热罩340、360也可以考虑为都具有上表面、第一侧表面、第二侧表面和下表面。第一热罩和第二热罩一般由耐热材料制成。热罩也可以涂覆或油漆上反射高温的白漆以减少/最小化热吸收和/或工作温度。
[0066]图5是翼部组件的外部侧视图。在此，第一热罩340和第二热罩360是可见的。图中也示出了第一暴露面222和第二暴露面224。也示出了结构支承架的基底302和结构支承架的顶端304。应当注意的是，热罩370也处于结构支承架300的侧部上。
[0067]如图3中所示，加强结构用以支承并加强管屏。图6至图8A是加强结构的一个示例性实施例的不同视图。图6是该示例性实施例的平面图(即俯视图)。图7是示例性实施例的侧部剖视图。图8是该示例性实施例的前视图。图8A是其立体图。
[0068]参照图6，加强结构401由定位于该管屏相对的两个暴露面上的第一支承组件410和第二支承组件470形成。(返回参照图3，第一支承组件410是支承管400的一部分，第二支承组件470是支承管406的一部分。)各支承组件410包括支承管420、水平凸缘430和扇贝形棒440。支承管420应考虑为中空的并允许冷却流体从中穿过。水平凸缘430从该支承管向内朝向管屏210延伸。水平凸缘430内具有槽432。如所示，两个支承组件上的水平凸缘430、472彼此相对。扇贝形棒440具有接合管屏210的波状表面和在相对的表面上的凸耳448。该扇贝形棒由穿过凸耳448和槽432的销450连接到该支承管。该扇贝形棒由穿过焊接到某些屏管上的凸耳454的销452被紧密地保持(但未固定)到屏管460上，并且该扇贝形棒接合一个或多个屏管。将扇贝形棒440保持在管460和销452之间的凸耳454相对将扇贝形棒440连接到支承管420的凸耳448偏置。此允许屏管和扇贝形棒沿竖直方向独立于相对固定(竖直方向上)的支承组件进行一致的热膨胀。保护性套筒446可以定位在所示屏管和扇贝形棒之间，以当扇贝形棒和屏管之间发生任何相对运动(滑动接触)时保护管免于磨损和/或刨削。应当注意的是，在此只描述了一对凸缘和凸耳430、478，但是在各支承组件上可以具有其它的凸缘和凸耳以防止屏扭转并保持屏之间的对齐。类似地，只示出了附连到支承管420的一个扇贝形棒440，但是可以沿该支承管使用多个扇贝形棒，以例如当管屏内或管屏之间的管之间的竖直热膨胀有大的差异时，按需要加强单个宽的管屏或多个管屏。而且，各扇贝形棒440可以具有多个凸耳448。该加强结构可以由结构支承架(参见图3)支承。支承管可以附连或连接到该支承架的竖直柱，虽然未按此方式示出这些支承管。
[0069]该加强结构允许翼部管屏内各管进行独立热膨胀，并且允许加强结构和支承管进行独立热膨胀。扇贝形棒和支承管之间的销/槽布置允许支承管独立于翼部管屏中管的径向膨胀而进行轴向膨胀。(注意:支承管的轴线是水平的并且垂直于翼部管屏中的管的竖直轴线)。
[0070]上述支承系统允许各管460以各管间具有最小空隙的、各管正切的方式进行布置。此降低了穿过空隙的光的能量损失，并且因此增加了接收器的吸热和效率。在此可以看到各管460，它们的中部462沿该管屏的中线405。也可以考虑对该管的布局进行其它变型。
[0071]现在参照图7，在一些实施例中，支承组件的支承管420的直径可以与管屏的任一管460的直径不同，以使支承管具有额外刚度，并且用以加强该屏，并遮盖与该支承组件相关联的零件，由此降低零件的工作温度。在一些实施例中，支承管的直径425大于管屏中任一管460的直径465。支承管420可以认为具有内表面422和外表面424，其中，外表面暴露于来自定日镜的反射阳光中。可以涂覆或油漆该支承管的外表面424以减少/最小化吸热和/或工作温度。
[0072]参照图3，具体可以考虑加强结构的至少三种变型。第一，组成加强结构401、402的支承管400、406连接到上集管242和下集管250，使得它们使用与流过管屏210的流体相同的传热流体。然而，可以考虑支承管使用不同冷却流体的其它实施例。此可以通过例如将各支承管连接到独立的集管上而实现。第二，在此示出的支承管400为加强结构401、402提供支承组件。在其它实施例中，加强结构可以使用独立的支承管制得。例如，支承管可以横过第一支承高度225延伸，但是不横过第二支承高度226上延伸回来；如果必要，不同的支承管可以用于第二支承高度226处的加强结构。第三，如所示，加强结构401使用两个独立的支承管400、406。可以构想只有一个支承管用于加强结构的其它实施例。这可以例如通过将支承管形成为环绕管屏的长方形环面(torus)而实现。该单个支承管会提供与屏的第一表面相邻的加强结构401，然后包裹处于相同高度上的屏，并提供与屏的另一表面相邻的加强结构。在第二加强结构高度402处也可以通过相同的支承管或不同的支承管来实现。
[0073]也应当注意的是，在图3中，各支承管在同一侧上连接到管屏的上集管和下集管。例如支承管400沿第一侧边缘216同时连接到上集管242和下集管250。应当理解的是，此可以是不同的。例如，如果仅有一个加强结构，那么支承管400可以沿第一边缘216连接到上集管242，然后横过第一表面并沿第二侧边缘218连接到下集管。
[0074]如上所述，本发明的太阳能接收器包括翼部组件和中部接收器组件。现在描述一些不同的中部接收器组件。
[0075]图9是中部接收器组件的一个示例性实施例的各部件的分解剖视图。在此示例性实施例中，考虑传热流体(HTF)为蒸汽和水。一般地，中部接收器组件800具有内部支承结构810和至少一个中部管屏820。
[0076]在此所述的内部支承结构810从侧面看时为长方形，从上方看时为正方形(即俯面图)。在此，内部支承结构810由四个竖直塔架812和水平布置在各塔架之间三个高度上的加固梁814组装成。竖直塔架附连到基底816。内部支承结构810限定内部容间811，太阳能接收器的部件定位在该内部容间811中并且不暴露于集中阳光。例如，在此，竖直蒸汽/水分离器802定位在内部容间811中。内部容间811由外部管屏和阻挡穿过相切的未被束缚的管之间阳光的栅板保护而免受集中阳光的照射。在此示出的处于两个水平高度上的入口平台818用以提供进入该内部支承结构的内部容间中的通路。
[0077]在此描述的太阳能接收器具有用作蒸发器管屏822和过热器管屏824的两套不同中部管屏820。各中部管屏820在上集管826和下集管828之间延伸。竖直蒸汽/水分离器802在结构上和流体上与管屏822和824互相连通。内部支承结构810支承竖直蒸汽/水分离器802和中部管屏820。在加固梁814处，中部管屏820被安装到内部支承结构810。
[0078]如所示，接收器800的各侧包括一个蒸发器管屏822和一个过热器管屏824。两个主过热器(PSH)管屏824形成中部接收器组件800的一个角部，而两个次过热器(SSH)管屏824形成另一角部(未示出)。考虑到管的挠性，蒸发器管屏822和过热器屏824通常由紧密间隔的正切未被束缚的管(无膜)构成，在集管附近具有提供额外挠性的充裕的管弯头。管可以是小直径薄壁管以最小化热侧至冷侧和整个管壁的温度差和热应力。管屏可以同时在水平方向和竖直方向上进行热膨胀，由此最小化管应力。也可以考虑蒸发器管屏822和过热器管屏824的其它布置方式。例如，蒸发器管屏822和过热器管屏824可以不位于每一侧上，或者过热器管屏824可以不在角部处相交，或者甚至可以在给定侧上设置不同构造的多个蒸发器管屏822和过热器管屏824。
[0079]上集管826、下集管828和其它部件由绕中部接收器组件800的周缘延伸的热罩保护免于溢出和散离光能。上热罩840处于中部管屏820的上方，下热罩842处于中部管屏820的下方。热罩的暴露侧可以涂成白色以降低工作温度。热罩的背侧通常不是隔热的，以降低工作温度。热罩840、842和中部管屏820之间也可以存在空隙，以允许用于额外冷却的自然通风。
[0080]解释流体流动可有助于说明各部件之间的连接。中部接收器组件800被设计成用于自然循环，而无需要循环泵，但是也可以设置一个。进给水在接收器800的一半高度附近处进入竖直分离器802。此相对冷的水向下流过处于竖直分离器底部的下引管(未示出)。供应管850将水从下引管运送到蒸发器管屏822的下集管。来自定日镜的太阳能/热由向上流过蒸发器屏822的管中的水吸收，此水的密度小于离开竖直分离器802的水的密度，使得产生自然的泵送作用。水一蒸汽的混合物在蒸发器管屏822的顶部退出集管。上引管852将水一蒸汽的混合物运送到竖直分离器802，竖直分离器802将混合物分离成水和干燥的饱和蒸汽。被移除的水在竖直分离器802中向下流动以进行再循环。
[0081 ] 干燥的饱和蒸汽离开竖直分离器802的顶部并流过饱和蒸汽管线854到达处于主过热器屏824顶部的入口集管。从蒸发器屏822附近开始、蒸汽流过平行的主过热器屏824的管程。此布置将最冷的蒸汽推送蒸发器屏822附近以保护过热器屏824免于在启动时溢出。当蒸汽流过主过热器屏时，来自定日镜的太阳能/热量被蒸汽吸收以将温度提升到饱和温度以上。然后蒸汽退出主过热器屏824，进行混合，并流过恒温器856和相关联的管线858，然后分开并进入处于顶部的次过热器屏(不可见)。次过热器屏定位在中部接收器组件800的另一角部上。与主过热器类似，蒸汽蒸发器屏822附近开始流过平行的次过热器屏的管程。此布置将次过热器的最冷的蒸汽推送到蒸发器屏附近以保护过热器屏免于在启动时溢出。当蒸汽流过次过热器的通道时，来自定日镜的太阳能/热被蒸汽吸收以进一步提升温度。最终的过热蒸汽可以通过主蒸汽管(未示出)离开中部接收器组件800 (和太阳能接收器)。
[0082]图1OA是利用一侧吸热的中部管屏820，图1OB是该中部管屏的放大立体分解图。反射模块化屏挡光板836与管屏的吸热侧(即外侧)相对地定位于管830的后部(即中部管屏的非暴露面)。该挡光板设计成保护隔热部838、支承结构810和太阳能接收器的内部零件免受可能通过管屏的各未被束缚的正切管之间的空隙进入的雨或热暴露。挡光板的模块化设计简化了用于检测和/或维护的移除操作。挡光板836由金属板阵列组成，并且在管侧上涂覆白漆或其它反光性材料，以使反射回所述管的光能最大化，并降低该挡光板的工作温度。挡光板由管附连结构即加固梁支承系统814支承。在挡光板后部(即太阳能接收器的另一内部)的是由防护套覆盖的隔热部838。[0083]可替换地，在太阳能接收器的另一示例性实施例中，应考虑的是，传热流体(HTF)是熔盐。图11是示出了使用熔盐作为流体流过中部接收器组件800的示意图。在此示意图中，流体流过太阳能接收器的两侧(即两个管屏884、886)。通过该接收器另外两侧的第二平行和独立控制的流道未被示出，但是二者是完全相同的。开始，上引管870从冷储存罐801中提供冷熔盐到熔盐入口容器860中，例如，“冷”熔盐可以从温度大约为550° F的冷储存罐中被泵送。入口管872将入口容器860流体地连接到第一管屏入口 874。图中也示出了位于管程之间的跨接管896。第一管屏出口 876通过交叉管875流体地连接到第二管屏入口 878。出口管882将第二管屏出口 880流体上连接到熔盐出口容器862。传热流体可以从入口容器860流过第一管屏884和第二管屏886到达出口容器862。下引管888从出口容器862向下引回到水平面，在此处，“热”流体可以流入热储存罐803中。
[0084]出口管882和出口容器862是可选择的、非必要的，其由虚线示出。如果没有出口容器，传热流体从第二管屏出口 880通过出口管891直接流到下引管888。旁路管线890也将上引管870连接到下引管888。如果需要，该旁路流道可以阻止传热流体流过管屏884、886。
[0085]此完成了能量收集过程。在传热流体中所储存的热能可以用于产生蒸汽和电能。例如，此可以通过将热的传热流体从热储存罐803泵送通过热交换器805的壳侧而实现。水进入热交换器805的管侧并转化成蒸汽。蒸汽可以被送到汽轮机807，汽轮机807驱动发电机809。然后，离开热交换器的、较冷的传热流体返回到冷储存罐801中，在此，该传热流体被泵送到接收器以重复上述能量收集过程。
[0086]对于熔盐接收器，管屏必须是充分可排放的并且是可通风的。当日落而不使用时或有效太阳能太低时，该接收器通常被排放。熔盐在接近430° F(221°C，494° K)的温度时凝固。如果不被排放，盐可能在管内凝结，阻塞接收器并且可能使管破裂。如在此所看到的，太阳能接收器可以包括用于各独立流道的通气阀892，这些通气阀都通过下引管888的顶部进行通气。该通气阀通常定位在下引管888的顶部附近，并且也示出的通气管线894将各流道连接到下引管。通常为每对管屏设置一个排放阀897，并且排放阀897定位在管屏的下方。排放管线898也被示出了，并且连接到下引管888，使得存在于管屏中的熔盐被排出并流入下引管888。通气阀和排泄阀是自动控制的。
[0087]应当注意到，在图11中，所示各管为相对直的流道。然而，本领域普通技术人员应当理解的是，它们在布置方式和长度上的实际设计由适应太阳能工作期间由于热膨胀和收缩所引起的预期运动所需的挠性程度决定。因此，可能的是，其它弯曲或长度是必要的以提供这样的挠性。
[0088]图12是使用熔盐的已组装的中部接收器组件的立体图。在底部，上引管870进入入口容器860。熔盐入口容器860定位在可选的出口容器862的下方。熔盐入口容器860也定位在中部管屏820下方。换句话说，中部管屏820 (在结构上和流体上)定位在入口容器860和可选的出口容器862的下方。下引管888也是可见的。上烤箱(加热箱)864包覆中部管屏820的上集管。在此方面，这些烤箱使用电加热器元件来在充满流体之前预热中部管屏820的、未暴露于集中太阳能热流的区域。在启动时，预热是必要的，以确保在将传热流体引流通过中部接收器组件800之前与传热流体接触的所有金属被至少加热到与冷的传热流体相关联的温度。上热罩840定位在中部管屏820的上集管的上方和上烤箱864的上方。下热罩476定位在中部管屏820的下集管的下方和下烤箱866的下方。在中部接收器组件的顶部，内部支承结构810与可选的出口容器862 —样是可见的。
[0089]图13至图17示出了本发明太阳能接收器的示例性实施例的多个视图。该太阳能接收器包括中部接收器组件和至少一个翼部组件。一般地，中部接收器组件的每个角都有一个翼部组件。在所示实施例中，中部接收器组件是正方形的并具有四个翼部组件。
[0090]图13是示出了四边形中部接收器组件910中的管屏920和四个翼部组件930的太阳能接收器900的平面图，其中，移除了支承结构。中部接收器组件的四边是中部管屏920，中部管屏920在中部接收器组件的外部上具有暴露的第一面922以及在中部接收器组件的内部上的非暴露第二面924。在中部接收器组件中存在有内部容间911。翼部组件930从中部接收器组件的各角部913延伸出。在此四边形构造中的翼部组件垂直于邻近的翼部组件。一般地，中部接收器组件可以是具有任意数量翼部组件的、具有任意η边的多边形。
[0091]图14是太阳能接收器的轴测图，其中热罩放置在位。图15是太阳能接收器的正视图，其中热罩放置在位。中部接收器组件910具有定位在中部管屏920上方的上热罩912和定位在该中部管屏下方的下热罩914。热罩960构成翼部管屏990的各暴露面992、994。热罩960可以考虑为包括上表面962、下表面964和侧表面966。该翼部组件热罩的侧表面966定位成远离中部接收器组件。在翼部组件930的侧部上的侧部热罩970也是可见的。
[0092]参照图14，在中部管屏920和翼部管屏990之间的内部敞开空间932是可见的，并且在此区域内没有热罩。在翼部组件热罩的侧表面966和翼部管屏的侧边缘995之间存在有外部敞开空间934。这些敞开空间造成独立式(free-standing)的翼部管屏。该布置方式允许定日镜在翼部管屏的整个宽度方向上更均匀地聚焦，此一般需要一些定日镜朝向边缘聚焦。敞开空间提供有可以减少集中阳光溢出到热罩上的缓冲器。被集中的阳光可以从翼部管屏的一侧穿过该敞开空间到达另一侧。然而，可能的是，根据集中阳光的定向和方向，穿过的集中阳光会照射到太阳能接收器上的另一管屏。
[0093]水平热罩915也定位在中部管屏920的上方，并且延伸到翼部组件的远端936。水平热罩915在构成中部管屏的高度处或沿翼部组件热罩的内边缘968处(参见图15)进行定位。中部接收器组件的上热罩912、中部接收器组件的下热罩914和翼部组件的热罩970都可以被涂覆/油漆以减少/最小化吸热。翼部管屏990的暴露第一表面992和暴露第二表面994可以被涂覆/油漆以增加/最大化吸热，如同中部管屏920的第一暴露表面922 (参见图15)那样。
[0094]图16是太阳能接收器的轴测图，其中移除了热罩以显示某些处于下部的结构。图17是太阳能接收器的前视图，其中移除了热罩。
[0095]在此描述的实施例是水作为传热流体的蒸汽/水太阳能接收器，所以包括竖直的蒸汽/水产生器901 (参见图15)。中部接收器组件的内部支承结构904也是可见的并且延伸到管屏的上方。在此描述的用于翼部组件的结构支承架940包括处于远端936的第一竖直柱942。上水平梁948从第一竖直柱的上端944延伸到内部支承结构上的上连接部(附图标记为908)。下水平梁950定位在翼部管屏的下方并且从第一竖直柱的下端946延伸到内部支承结构904上的下连接部(附图标记为956)。如所示，该下水平梁被连接但不固定到该内部支承结构以允许不同程度的热膨胀；然而，也可以考虑其它的实施例。上水平梁948和下水平梁950是彼此大体平行的，但是这不是必须的。[0096]在图16和图17中也可见的是定位于翼部管屏上的第一支承高度991和第二支承高度993处的第一加强结构980和第二加强结构984。这些加强结构与图6至图8A所述的加强结构类似，并且各加强结构的第一支承组件982、986是可见的。应当注意的是，在此，第一加强结构的第一支承组件982通过中间管903流体地连接到第二加强结构的第一支承组件986。另外，第一加强结构的第一支承组件982通过入口管902流体地连接到翼部管屏的上集管996。第二加强结构的的第一支承组件986通过出口管905流体地连接到翼部管屏的下集管998。在此方面，传热流体可以流过该支承组件的支承管以冷却该支承组件。可替换地，各加强结构的支承组件可以流体上连接到中部接收器组件上的中部管屏。
[0097]因为所描述的实施例是将水作为传热流体的蒸汽/水太阳能接收器，所以从竖直分离器901的顶部延伸到翼部管屏的上集管996的饱和管线906是可见的。在此方面，中部管屏用作蒸发器屏以将水转化成水/蒸汽混合物。然后，翼部管屏用作过热器屏。可替换地，中部管屏可以用作过热器屏，而翼部管屏用作蒸发器屏。熔盐太阳能接收器会以类似方式布置，但是不会有竖直分离器，并且熔盐管线会将翼部屏连接到中部管屏。
[0098]应当注意的是，中部管屏的构造可以与翼部管屏的构造不同。在诸如蒸汽/水太阳能接收器等具体实施例中，中部管屏中的管可以具有螺旋形内部肋，或者换句话说，具有螺旋形肋的管可以用于中部管屏，特别是当这些屏用作蒸发器屏时。此允许仅在一侧上加热的中部管屏中输入更多的热量，这提高了最大实际加热效率。此允许太阳能接收器被设计成用于自然循环或强制循环，其中入射热流可以比光滑孔管大两倍或三倍。可替换地，螺旋弹簧线插入件、扭带插入件、纵向内部翅片、多孔表面涂层、机加工的表面特征或任何其它的内部流动热量传送增强策略都可以用于中部管屏的管中。这些增强特征不用在翼部管屏上，因为其已经暴露于两倍的集中阳光，并且由于减少的热应力(由于同时暴露在两个表面上)而可以吸收更多的热流量。由此制成的太阳能接收器可以在捕获有效太阳能上具有显著提高的效率，同时允许整个太阳能接收器的尺寸减少同时仍旧可以捕获同样总量的太阳能，或者允许等同尺寸的太阳能接收器来捕获更多的太阳能。
[0099]已参照示例性实施例描述了本发明。明显地，在阅读和理解了前述【具体实施方式】后，其他人可以进行修改和变动。其意图是如果这些修改和变动落在所附权利要求和等同内容的范围内，那么本发明应理解为包括所有这些修改和变动。
【权利要求】
1.一种太阳能接收器，包括: 中部接收器组件，包括内侧支承结构和至少一个外侧中部管屏，所述内侧支承结构限定内部容量，所述至少一个外侧中部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通，并且所述至少一个外侧中部管屏布置在所述内侧支承结构的外表面上，同时所述至少一个外侧中部管屏具有暴露的第一表面和非暴露的第二表面；和 至少一个翼部组件，所述翼部组件从所述中部接收器组件延伸，各所述翼部组件具有翼部管屏，所述翼部管屏包括用以递送传热流体的多个竖直管，其中，所述多个竖直管由至少一个上集管和至少一个下集管互相连通，并且各所述翼部管屏具有第一暴露面和与所述第一暴露面相对的第二暴露面。
2.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述翼部组件还包括结构支承架，所述结构支承架包括: 第一竖直柱； 从所述第一竖直柱的上端到所述内侧支承结构的上连接部延伸的上水平梁；以及 从所述第一竖直柱的下端到所述内侧支承结构的下连接部延伸的下水平梁。
3.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，还包括第一加强结构，所述第一加强结构在第一支承高度处从所述第一侧边缘到所述第二侧边缘横过所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述第二暴露面延伸。
4.如权利要求3所述的太阳能接收器，其特征在于，各加强结构由所述翼部管屏的所述第一暴露面上的第一支承组件和所述翼部管屏的所述第二暴露面上的第二支承组件形成，各支承组件包括: 支承管； 从所述支承管延伸并在其中具有槽的水平凸缘；以及 接合所述管屏并具有至少一个凸耳的扇贝形棒，所述扇贝形棒由穿过所述至少一个凸耳和所述水平凸缘的所述槽的销而接合所述水平凸缘。
5.如权利要求4所述的太阳能接收器，其特征在于，各支承组件的所述支承管的直径大于所述翼部管屏中任何管的直径。
6.如权利要求4所述的太阳能接收器，其特征在于，所述第一加强结构的所述第一支承组件流体连接到所述翼部管屏的入口集管或者流体连接到所述至少一个外侧中部管屏。
7.如权利要求3所述的太阳能接收器，其特征在于，还包括第二加强结构，所述第二加强结构在所述第二支承高度处从所述第一侧边缘到所述第二侧边缘横过所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述第二暴露面进行延伸。
8.如权利要求7所述的太阳能接收器，其特征在于，所述第一支承高度和所述第二支承高度不处于所述翼部管屏的中区。
9.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述中部接收器组件还包括定位在所述至少一个外侧中部管屏上方的上热罩和定位在所述至少一个外侧中部管屏下方的下热罩；并且 其中，所述翼部组件还包括具有定位在所述翼部管屏上方的上表面、定位在所述翼部管屏下方的下表面以及远离所述中部接收器组件定位的侧表面。
10.如权利要 求9所述的太阳能接收器，其特征在于，在所述翼部组件热罩的侧表面和所述翼部管屏的侧边缘之间存在有敞开空间。
11.如权利要求9所述的太阳能接收器，其特征在于，还包括定位在所述至少一个外侧中部管屏上方的水平热罩。
12.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述第二暴露面被涂漆以增加吸热。
13.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述至少一个外侧中部管屏包括具有螺旋形内部肋的壁管。
14.如权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述内侧支承结构具有矩形横截面，所述中部接收器组件具有四个外侧中部管屏，并且共有四个翼部组件从所述中部接收器组件的角部延伸出。
15.—种太阳能系统,包括: 如权利要求1所述的太阳能接收器；和 构造成将阳光朝向所述中部管屏的所述第一表面、所述翼部管屏的所述第一暴露面和所述翼部管屏的所述第二暴露面引导的镜场。
【文档编号】F24J2/06GK103946642SQ201280056260
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年11月15日 优先权日:2011年11月16日
【发明者】M·J·阿尔布雷克特, K·C·亚历山大, S·P·扬纳克其恩, J·M·马歇尔, J·A·珀尔辛格, D·T·瓦西卢克 申请人:巴布科克和威尔科克斯能量产生集团公司
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