基于固体的聚光式太阳能接收器的制作方法

背景技术：

以下涉及太阳能发电领域和相关领域。在已知的聚光式太阳能(CSP)系统设计中，定日镜场将太阳能集中到(典型地，塔装式)太阳能接收器上。流动固体介质(如硅砂或具有几百微米数量级上的粒度的焙烧硬质黏土(calcined flint clay))流动通过太阳能接收器。此流动固体介质从集中的光中吸收能量并且由此发热。热流动固体介质可以用于各种目的，例如被馈送流化床锅炉以便生成用于驱动涡轮发电机的流。

通过非限制性说明性示例的方式，在以下专利申请中描述了一些这种太阳能聚光器：马(Ma)的2013年10月3日公开的美国公开号2013/0257056A1，所述专利通过引用以其全部内容结合在此；以及马(Ma)等人的2013年10月3日公开的美国公开号2013/0255667A1，所述专利通过引用以其全部内容结合在此；以及玛丽亚姆珍等人的2014年4月10日申请的题为“Concentrated Solar Power Solids-Based System(基于固体的聚光式太阳能系统)”的美国序列号14/250,160，所述专利通过引用以其全部内容结合在此。

技术实现要素：

在本文中所公开的一些方面中，一种聚光式太阳能(CSP)系统包括多个通道、冷固体源、和热固体接收结构。所述多个通道共同形成具有面向外部的太阳能接收表面的外壳结构，所述太阳能接收表面被成形用于为照射在所述太阳能接收表面上的太阳能辐射限定多条反射光路。在给定CSP系统中，外壳可以是特殊形状，如圆柱形状或圆锥形状或圆柱或圆锥的段等。所述冷固体源被安排成用于将流动固体介质馈送到所述通道的开口上端中。所述热固体接收结构被安排在所述多个通道下方，以便接收离开所述通道的所述开口下端的所述流动固体介质。所述通道被定向为使得馈送到所述通道的所述开口上端中的所述流动固体介质在重力作用下向下下降通过通道以便离开所述通道的所述开口下端。在本文中的一些说明性实施例中，所述通道的所述太阳能接收表面包括楔形表面，所述楔形表面限定相邻通道的楔形表面之间的多条反射光路。所述楔形表面可以是平面、凸面或凹面。在一些实施例中，所述外壳结构包括相邻通道之间的间隙，并且所述间隙被尺寸设定成随着所述通道从环境温度被加热到所述通道的工作温度而适应所述通道的热膨胀。在一些实施例中，所述通道相对于重力方向以一定角度定向，从而使得在重力作用下下降通过所述通道的所述流动固体介质沿着所述通道的接近所述面向外部的太阳能接收表面的内表面流动。在一些实施例中，挡板元件被布置成均匀地分散通道内的固体介质。所述流动固体介质可以例如是硅砂或焙烧硬质黏土。在一些实施例中，所述流动固体介质具有范围从几微米到几毫米的粒度。在另一个实施例中，流动固体介质具有范围在几百微米数量级上的粒度。

在本文中所公开的一些进一步方面中，所述CSP系统包括：塔，所述塔支撑共同形成外壳结构的多个通道；以及地面上的定日镜场，所述定日镜场至少部分地围绕塔并且被配置成用于将太阳能辐射集中到所述外壳结构的太阳能接收表面。所述太阳能系统可以进一步包括热交换器，所述热交换器被配置成用于将热量从热的流动固体介质传递至第二介质。所述第二介质可以例如是水、空气、或二氧化碳。水对于在压临界压力时使用水的系统而言可以处于液体状态和/或蒸汽状态，或者对于在超临界压力时使用水的系统而言可以处于同质(单相)状态。

在本文中所公开的一些方面中，聚光式太阳能(CSP)系统包括被安排成用于输送在重力作用下下降通过通道的流动固体介质的多个通道。所述通道形成光吸收表面，所述光吸收表面被配置成用于吸收来自定日镜场的入射到所述光吸收表面上的太阳能通量的至少50％。在一些实施例中，所述多个通道被安排成用于形成作为面向外部的外壳表面的光吸收表面。所述接收器的所述面向外部的外壳表面是为来自所述定日镜场的入射到所述光吸收表面上的太阳能通量限定多条反射路径的齿形表面。所述通道可以例如通过来自架空结构的悬架被单独地支撑，并且可以具有在通道之间的间隙，所述通道的大小被设定成适应由于在它们被太阳能通量加热时的热膨胀所引起的通道的增长以及将热量传递至在重力作用下下降通过通道的流动固体介质。在一些实施例中，所述光吸收表面被倾斜为使得所述通道的接近光吸收表面的内表面限定下倾通道底面，并且在重力作用下下降通过所述通道的流动固体介质沿着下倾底面流动。挡板可以被布置在所述通道内部，并且横跨所述流动固体介质在重力作用下下降通过所述通道的下降方向而被定向。在一些实施例中，挡板不接触通道的内壁。通道可以包括楔形壁，所述楔形壁形成光吸收表面，并且所述楔形壁可以为来自定日镜场的入射到所述光吸收表面上的太阳能通量限定多条反射光路。

以下更加具体的描述了本公开的这些或其他非限制性方面和/或目标。

附图说明

本发明可采用各种部件和部件的安排的形式，以及各种过程操作和过程操作的安排的形式。附图只是用于图示优选实施例的目的，并不解释为对本发明的限制。本公开包括以下附图。

图1图解地示出了示意性聚光式太阳能(CSP)发电设施，左上角插图中示出了太阳能接收器的放大的俯视图，并且右上角插图示出了太阳能接收器的四个通道的放大的透视图。

图2图解地示出了具有图1的太阳能接收器的一个通道的虚隐藏线的透视图，还示出了示意性挡板插入物。

图3图解地示出了图2的通道的侧截面视图，省略了挡板插入物，并且进一步示出了：被安排在通道上方的用于将流动固体介质馈送到通道的开口上端的冷固体源；以及通道下方的用于接收离开通道的开口下端的流动固体介质的热固体接收结构。

图4图解地示出了图1的太阳能接收器的两个相邻通道的截面视图，展示了在相邻通道之间限定的楔形光接收孔径。

图5图解地示出了图4的一个通道的楔形太阳能接收表面的尖端的截面视图。

图6图解地示出了图1的太阳能接收器的一个通道的虚隐藏线的透视图，其中，通道以相对于向下的重力方向的角度α_C被倾斜。

图7图解地示出了图6的通道的侧截面视图，还示出了示意性挡板插入物，并且进一步示出了冷固体源和热固体接收结构。

图8至图10示出了在图7中分别指示为“部分A”、“部分B”和“部分C”的图7的截面视图。

图11图解地示出了具有压印曲线或凹痕60的一个通道。

图12图解地示出了单独支撑的两个分段的通道20A的透视图。每个段的下端20B是锥形的以便允许其在被太阳能通量加热时增长到相邻段。

具体实施方式

可以参照附图来获得本文中所公开的过程和装置的更完整地理解。这些图基于展示现有技术和/或当前发展的便利性和容易度而仅是示意性表示并且因此并不旨在指示其组件或部件的相对大小和尺寸。

尽管为了清晰性而在以下说明中使用了特定术语，但是这些术语旨在仅指被选择用于在附图中进行展示的实施例的特定结构，并且并不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下描述中，将理解的是，相同数字标号指具有相同功能的部件。

除非上下文清楚地另外指明，单数形式“一个”、“一种”以及“所述”包括复数指示物。

通过如“约”和“基本上”等一个或多个术语修饰的值可以不限于所指定的确切值。

应当注意的是，本文中所使用的术语中的许多术语是相对术语。例如，术语“内部”、“外部”、“向内”和“向外”相对于中心，并且不应当被解释为要求结构的具体取向或位置。

术语“水平的”和“竖直的”用于指示相对于绝对基准(即，地面水平)的方向。然而，这些术语不应当被解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一竖直结构和第二竖直结构不一定彼此平行。

术语“平面”在本文中用于总体上指共同水平，并且应当被解释为指并不作为平整表面的量。

在对太阳能接收器、锅炉和/或蒸汽发生器技术的某些术语或原则的解释可能对于理解本公开是必要的程度上，读者可参见Steam/its Generation and use(蒸汽/其产生和使用)第40版(巴布科克&威尔考克斯公司(Babcock&Wilcox Company)，版权1992，斯塔尔茨和基托(编者))，并且参见Steam/Its Generation and Use第41版(巴布科克&威尔考克斯公司，版权2005，斯塔尔茨和基托(编者))，所述文档的文本通过引用结合于此，就如同在本文中做了充分阐述一样。

参照图1，聚光式太阳能(CSP)接收器系统或电厂包括布置在电厂所占据的区域12之上的定日镜10的场。定日镜10在图1中被图解地表示，并且通常包括适当的部件(未示出)(如通常包括反光镜或其他反射器的波束形成光学器件以及如多轴机动化系统等波束控制装置)，所述部件协作以便捕获照射在定日镜上的太阳辐射并将光形成到指向太阳能接收器16的能量束14中，定日镜10的多轴机动化系统操作用于在天空上跟踪太阳的(明显)运动从而在整天内将光束14指向太阳能接收器16。(如本文中所使用的，如“光”、“太阳能辐射”、“太阳能通量”和“太阳能”等术语被可互换地使用，并且包括由定日镜10和/或其他参照系统部件捕获并聚集的来自太阳的所有能量，而不论这种太阳能是否采用可见光、红外光或紫外光的形式。在由太阳能辐射加热的部件的情况下，术语“能量”或“太阳能”包括采用如此生成的热量的形式的能量。)在所展示的构型中，太阳能接收器16安装在塔18的抬高位置中，以便在所述场中的每个定日镜10与太阳能接收器16之间提供无阻碍直接视线。

继续参照包括其左上角和右上角插图的图1，太阳能接收器16包括共同形成圆柱状外壳结构22(在左上角插图中图解地指示的)的多个通道20(右上方插图)，所述圆柱状外壳结构具有被设计成用于吸收大部分(即，至少50％)来自定日镜场的太阳能通量(并且优选地，多于大部分太阳能通量，例如，更优选地，被设计成用于吸收至少80％的太阳能通量，并且仍更优选地，被设计成近似于几乎100％吸收太阳能通量的黑体表面)的面向外部的太阳能接收表面24。通过说明性示例的方式，通道可以由金属材料、陶瓷材料或一些其他(多种)高工作温度材料制成。面向外部的太阳能接收表面24可以被设计成通过以下方式来有效吸收光：采用对于太阳光谱中的光具有低反射率和高吸收率的表面。在一些实施例中，如黑陶瓷涂层、双频带吸收涂层、宽带干涉涂层等光吸收涂层被并入到太阳能接收表面24中以便提供期望的表面吸收特性。通常，通道的表面可以是平坦的或弯曲的，具有凹槽，或以其他方式成形。

为了进一步增大光吸收效率，示意性通道20的太阳能接收表面24被成形为如在图1(亦参见图4)中的右上角插图中所看到的形状，以便为照射在太阳能接收表面24上的太阳能辐射限定多条反射光路。更具体地，通道20的太阳能接收表面24包括楔形表面。如最佳地在图1右上角插图和图4中所看到的，紧挨着并行安排的这种通道20限定了相邻通道20的楔形表面之间的多条反射光路14R(在图4中示出)。如图4中进一步看到的，通道20被紧挨着安排，但是间隔开相邻通道之间的小间隙G。随着将通道从环境温度加热至大于在通道20之内流动的热固体介质26的温度的温度，间隙G允许每个通道20的独立热膨胀。一种用于对间隙G进行尺寸设定的适当方式是计算(或者根据经验测量)由于环境温度与加热的热固体介质26的设计温度之间的热膨胀而引起的每个通道20的宽度变化，其中，所添加的余量说明比介质26的温度(即，通道20的工作温度)更高的温度，该温度差是从通道20到介质26的热传递的驱动力(可选地，加上某个附加温度以便提供某个公差)并且使在环境温度下的间隙G的宽度至少与这种变化一样大。

继续参照图1，流动固体介质26流入通道20的开口上端28并且在重力作用下下降通过通道20。流动固体介质26可以例如包括流动颗粒介质(如硅砂、焙烧硬质黏土、或其他适当的热传递颗粒介质)，平均粒度在几百微米数量级上，但是不限于此，例如，粒度的范围可以为从几微米(或更小)到几毫米(或更大)。随着流动固体介质26在重力作用下下降通过通道20，在太阳能接收表面24处吸收的来自太阳能通量14的热量转移至流动固体介质26，使其温度升高。在流动穿过通道20并且随后加热之后，热流动固体介质离开通道20的底部的开口29(在图2中示出)。在一些实施例中，流动固体介质26的在离开开口29时实现的工作温度的范围在600℃到1100℃内，并且在一个设想的实施例中，流动固体介质26的工作温度为800℃。

离开的热流动固体介质可以用于各种目的。在图1的示意性系统中，离开太阳能接收器16的下部开口29(在图2中示出)的加热的流动固体介质26进入热存储仓30并且以计量的方式转移到图1中图解地示出的流化床锅炉或其他热交换器32中。由于热颗粒存储在仓30中并且可以例如用于在阴天或夜晚提供热能，所以热存储仓30提供热存储能力。经由仓30的热存储将太阳能收集和电能产生解耦，以便允许可调度的连续电力产生。流化床锅炉或热交换器32可以例如包括鼓泡流化床(BFB)或循环流化床(CFB)热交换器等等，其中，加热的流动固体介质26被分散在流化床上以便加热水(从而形成蒸汽)或如空气或超临界二氧化碳(超临界CO₂)等另一个工作流体从而驱动电力循环和汽轮发电机(未示出)产生电力或执行其他有用工作。

继续参照图1，流动固体介质26通过例如由电机、柴油机等驱动的任何适当的升降机结构(未示出)而适当地返回到太阳能接收器16的顶部。被定位在通道20上方的冷固体分配仓34或以类似方式被定位的另一个冷固体源提供流动固体介质26到太阳能接收器16的通道20的顶部开口中的计量流以便完成流动固体介质26的质量运输循环。

参照图2至图5，描述了通道20的说明性实施例。通道20经由架空支撑结构40的凸耳38、39由悬架支撑。每个通道20包括：上开口28，冷流动固体介质26通过所述上开口进入；以及下开口29，在受热之后，流动固体介质26通过所述下开口离开。通过流量阀或其他流量计量设备46(见图3)来计量从冷固体料斗34到通道20的上开口28的流动固体介质26(例如，通道20组或单独地到每个通道20)。通道20(并且更具体地，面向外部的太阳能接收表面24)接收来自定日镜10的加热通道20的太阳能通量14。被通道20吸收的热量通过热传导和辐射传热传递至下降通过通道20的流动固体介质26。加热的流动固体介质26下降通过通道20的长度，并且离开下开口29以便通过重力下降进入热存储仓30或其他热固体接收结构。计量设备46可以是机械设备(如旋转阀、料斗卸料阀门)或非机械设备(如L-阀)。

通道20的太阳能接收表面24被设计为楔形以便通过如图4中最佳参见的多条反射路径14R来增强对太阳能辐射14的吸收。每一对两个相邻楔形限定图4中标出的楔形光接收孔径50，孔径深度标记为“DA”以及孔径宽度标记为“A”。选择孔径50的深度DA与宽度A的比率(比率DA/A)以便在最小化太阳能接收器16外的反射损耗的光接收孔径50内提供太阳能辐射14的多条反射路径14R。尽管示意性楔形表面是直的，但是更一般地，楔形表面可以是平面或凸面或凹面。

图5示出了一个通道20(如图4中所指示的)的楔形太阳能接收表面24的尖端52的放大视图。可选地，通过将此尖端52的宽度“W”最小化来进一步减小接收器16外的光反射损耗。这种减小的光反射损耗起因于尖端52的表面大约垂直于太阳能辐射14的方向——由此，照射在尖端52上的任何光都有可能通过反射而损耗。尖端52的宽度W被适当地选择为尽可能小，同时仍提供合理的制造公差并避免可能促进尖端处的破裂的集中应力，并且宽到足以允许流动固体介质26在尖端附近流动。通过使用这些几何设计技术以及将适当的光吸收表面材料用于太阳能接收表面24，由所述多个通道20限定的圆柱状外壳结构22的聚集太阳能辐射接收表面24的辐射性质可以接近黑体的辐射性质，同时提供固体介质26在通道20内的无阻碍流动。虽然示意性外壳结构22是圆柱状的，但是外壳结构可以具有其他集合形状，通常被选择为与定日镜场的布局一致，如具有圆柱体、正方形等的形状。优选地，外壳结构的几何形状被选择成将从定日镜场接收的太阳能最大化。

具体参照图3，每个通道20相对于热固体料斗30的位置允许其在下游的无阻碍膨胀。间隙(在图4中标记为DG)的深度和/或其形状被选择成将通道20之间的太阳能辐射穿透最小化至实际上不明显的水平。例如，间隙深度DG被制成足够长，从而使得多条反射路径14R延伸穿过所述间隙(对于未能在孔经50中被吸收的光)产生足够的反射从而获得基本上100％的光吸收。

太阳能到流动固体介质26的有效转移需要在太阳能接收表面24处的高光吸收，并且从通道20的壁到固体介质24的有效热传递在重力作用下下降通过通道20。到固体介质24的有效热传递减小了通道20的壁与流动固体介质26之间的温度差，由此允许太阳能接收器16产生很高的固体温度。这进而支持电力循环中(例如，在热交换器32中)的高工作流体温度，由此增大针对通道20的壁的给定可允许温度的循环效率。相反有效热传递可以允许针对给定设计基础固体温度而减小通道20的最大壁温度，由于更低的通道温度减小了热诱导的结构失效，所以这提高了太阳能接收器16的可靠性。可以通过以下方式来改进从通道20到流动固体介质26的热传递：通过提供固体介质26与通道20的内表面(并且特别是通道20的与接近面向外部的太阳能接收表面24的内表面)的强接合来增大热传递的热传导分量。换言之，在通道20之内流动的固体介质26优选地与通道20的内表面(特别是接近于太阳能接收表面24的那些内表面)具有显著接触(即，接合)。使用平均粒度在几百微米数量级上的颗粒介质减小了完全加热颗粒所需的接触时间。

具体参照图2，通过在穿过通道20的流动固体介质26的重力作用下的快速下降来减小这种接合。改进接合(并且因此，热转移)的一种方式是在通道20内提供使固体介质26的下降变慢的挡板。这种挡板可以采取各种形式，如从通道20的内表面延伸到通道内部的突起，或者示意性挡板插入物，包括通过插入到通道20中的连接杆56而绑在一起的挡板54。这种挡板插入物可以是如所示出的刚性结构，或者可以是如布置在通道20内的由耐热玻璃或另一种材料制成的并且直径比流动固体介质26的粒度范围大得多的实心球等阻挡介质。在任一情况下，挡板插入物被适当地固定至通道20的内表面，并且/或者被覆盖通道20的下开口29的屏(未示出)保留在通道20中。(注意，在这种实施例中，因为屏具有大小被设定成传递流动固体介质26的开口，同时将挡板插入物保留在通道20中，所以下开口29仍然是开口下端)。

在图1中，右上角插入物，并且在图2和图3中，通道20被竖直地取向。这导致流动固体介质26与通道20的所有内表面大约相等的接合。在另一方面，为了从通道20到固体介质26的有效热传递，有利的是，在接近面向外部的太阳能接收表面24的内表面处，将接合偏置为更强。图2中所示出的示意性挡板插入物通过将以角度α_t向下倾斜的挡板54安排成朝向太阳能接收表面2来实现这一点。随着介质26在挡板54的顶表面上“下坡地”流动，这种倾斜趋于将流动固体介质26驱动朝向接近太阳能接收表面24的内表面。可替代地，可以将挡板纵向地折叠，以便形成将具有迫使固体朝向太阳能接收器的侧表面和前表面的效果的倒“V”。这些挡板在通道20内可以是倾斜的或水平的。

参照图6和图7，示出了用于将流动固体介质26偏置以便优先地接合接近于太阳能接收表面24的内表面的另一种方式，在所述方式中，通道20以相对于向下重力方向的角度α_C倾斜。以此方式，太阳能接收表面24充当通道20的倾斜“底面”。流动固体介质26被偏置成更靠近太阳能接收表面24而流动，由此提供流动穿过通道20的固体26的更有效整体受热。最为附加益处，以角度α_C的倾斜可以用于将太阳能接收表面24放置成更接近于与太阳能辐射14垂直，所述太阳能辐射由于定日镜10在地面水平上而太阳能接收器16被安装在塔18的抬高位置处而从某个角度照射(见图1)。

以角度α_C将通道20倾斜提供了对沿着其表面的热吸收部分的尖端滑动(也就是说，沿着接近于面向外部的太阳能吸收表面24的内表面滑动)的固体的优先受热。虽然这增大了热传递效率，但是由于其在通过通道20的重力作用下下降，所以其可能导致固体介质26的非均匀受热。

继续参照图7并且进一步参照图8至图10，为了增大受热的均匀性，挡板可以被设计成用于引入对流动固体介质26的混合。在示意性挡板插入物中，通过对安装在连接杆66上的挡板元件64的适当设计来实现这一点。挡板元件64包括多个元件64₁、64₂、64₃，所述多个元件被定向在固体流两端并且迫使固体在通道20的横截面内混合。所述混合预期提高固体介质26的温度均匀性，以及提高通道20的横截面周长周围的通道壁的温度的均匀性。

将挡板元件64放置在流动固体介质26的路径中产生了紧接每个挡板元件下游的孔隙。如果挡板元件接触接近于面向外部的太阳能接收表面24的内表面，则固体将与该表面脱离接合使得其温度增大。为了避免这一点，挡板元件64优选地并不接触接近于面向外部的太阳能接收表面24的内表面。(这种考虑还适用于图2的实施例的挡板元件54)。

为了混合通道20的深度两端(也就是说，从接近于太阳能接收表面24的“前方”内表面到其远端的“后方”内表面)的流动固体介质26，挡板元件64应当为固体26提供针对后方的一些冲击。通过将挡板元件64放置在接近水平面的平面(如与垂直于通道20的轴线的平面相反的平面)中来实现这一点。

图6和图7的实施例的倾斜通道20在沿着其长度的若干方向上(同时允许热膨胀)被适当地支撑。在说明性实施例中，通过以下方式来实现这一点：在通道20的中部(即，重心)处或附近提供支撑其重量的支撑凸耳70，以及提供倾斜角度α_C并在允许轴向热膨胀的同时阻止通道20的弯曲的至少一个(并且优选地，两个或更多个)附加支撑凸耳72。示意性重量支撑凸耳70靠近重心，但是更一般地，可以处于通道20的顶部、中部或底部。

具体参照图7，挡板插入物64、66的重量优选地经由支撑元件80而被支撑在通道20的顶部，在示意性实施例中，所述支撑元件被置于通道20的处于“后方”端(即，太阳能接收表面24的远端)的横截面内。用于将连接杆66维持成与通道20的轴线平行的附加支撑可以通过以下方式来提供：将挡板元件64中的一些挡板元件附连至通道20的内表面或者提供附加专用支撑元件。还构想了其他支撑构型——例如，可以将屏再次置于开口下端29之上以便保持挡板插入物64、66，同时使屏开口的大小被设定成传递组成流动固体介质26的颗粒。

将理解的是，可以采用为来自定日镜场的入射到光吸收表面上的太阳能通量限定多条反射路径的其他类型的齿形表面。例如，参照图11，每个单独的通道可以具有限定了单独通道上的多个齿60的一系列竖直槽形孔径(压印曲线或凹痕)。这些槽形孔径增强对固体介质的混合并且减慢固体流速从而为了更高的热传递性能而增大停留时间。它们还添加热传递表面并在通道被太阳能通量加热时阻止通道的非期望变形。

参照图12，每个单独的接收器通道可以包括多个段20A。每个段被单独支撑以便允许独立的热膨胀。每个段20B的一个端是锥形的以便允许其在被太阳能通量加热时增长到相邻端中。可以考虑维持光学性能和制造和处理的容易度，以及将成本最小化，来优化每个段的设计。

已经描述了包括优选实施例的说明性实施例。虽然已经详细示出并描述了具体实施例以便展示本发明和方法的应用和原则，但是将理解的是，并不旨在将本发明限制于此并且可以在不背离这种原则的情况下以其他方式将本发明具体化。在本发明的一些实施例中，有时可以在不相应地使用其他特征的情况下有利地使用本发明的某些特征。相应地，所有这种改变和实施例都适当地落入以下权利要求书的范围内。显然，在阅读和理解先前的具体实施例之后，其他人将想到各种修改和变更。旨在于这种修改和变更进入所附权利要求书或其等同物的范围内的情况下将本公开解释为包括所有这种修改和变更。