对太阳辐射的收集及将其变换为电能的制作方法

专利名称：对太阳辐射的收集及将其变换为电能的制作方法
技术领域：
本发明是关于收集和会聚太阳辐射以产生电能的设备。具体说，本发明特别涉及到太阳能反射器的安装。另外还描述了太阳辐射接收器和抛物面反射器的结构特点。
通过由适当的反射器例如抛物槽式系统、平面镜阵列系统和抛物面反射器系统对太阳能集聚而产生的热能进行变换来产生电能的系统是公知的。
在一抛物面反射器(parabolic reflector dish)系统中，一个或多个各自具有一反射表面的抛物面反射器被在方位和高度上加以驱动，以便能跟踪太阳的昼夜和季节运动来收集并会聚太阳辐射到达相应的接收器。在接收器处，由太阳辐射集聚所产生的热能通常被从接收器导引到热机、发电机等来产生电能。
为了使一抛物面反射器系统具有最大的效率，抛物面反射器的面积必须尽可能的大。这一点可由大量的小型反射器、或者仅由一个或少量的非常大的反射器来实现。
在由许多反射器构成的系统中，为使每一反射器能精确跟踪太阳的运动而须设置等量的驱动系统，成本极高。因而经常采用大型抛物面反射器。
未经聚焦的太阳辐射在地平面具有最大太阳能通量1000w/m2。在纬度30°与35°之间，每天未聚焦太阳辐射的平均功率约为700w/m2。因此在一典型系统效率为约30％时，为产生1MW的电能将需要约4～5000m2即约直径75m的抛物面反射器。
为了安装和移动这样的反射器来跟踪太阳需要很大的反射器支撑结构。而且，大的反射器对风将产生一相当大的截断面，因而为保持对太阳的精确的对准，此反射器支撑结构必须被作成有足够的强度来承受风力。在很大的风中，反射器和支撑结构均易于受到损坏，因而两者均必须被加强来抵御偶然的强风的作用。增强反射器和支撑结构使得反射器质量增加，而导致它们的成本及用于移动反射器以跟踪太阳的系统的成本增加。
通常抛物面反射器还要作常平架式安装，亦即使得能围绕一位于反射器中心的平面中的轴旋转。这样的安装使得反射器能利用简单的驱动装置在方位和高度上运动，而反射器的质量能得到平衡。然而，反射器的常平架式安装意味着此反射器必须被支撑来围绕一处于地面之上等于反射器的半径的高度的轴旋转。在大风的情况下，这样的反射器不能移出风路，因此反射器支撑结构必须增强而使其质量和成本增加。
由于这些因素，当前的抛物面太阳辐射反射器的大小被限制在10m与15m之间的直径。因而为产生大量的功率就需要数个这样的反射器(生成与一单个的75m直径的反射器同样的功率需要25个直径15m的反射器)，如上所述这是极其昂贵的。
按照本发明，收集和会聚太阳辐射的设备包括反射器；用于使反射器围绕基本上垂直的第一轴旋转的装置；用于使反射器围绕第二轴作枢轴旋转的装置，此第二轴位于与垂直轴平行但不重合的平面内，此枢轴旋转装置能将反射器有效地作枢轴转动使之处于反射器的周边位于基本上水平的平面内的第一位置与反射器的周边位于基本上垂直的平面内的第二位置之间的任何位置上；和围绕垂直轴伸展的至少部分地包围位于第一位置中的反射器的周边的挡风屏，此挡风屏的高度被作成使其上边缘与第一位置中的反射器的周围边缘处于相同水平或者高出后者。
因此采用这样的配置(其中，第二轴最好基本上保持水平)，反射器和其所用的支撑结构仅需足以承受中等风的强度，而使得包含用于移动反射器跟随太阳运动的装置在内的设备的成本能保持最小。在大风的情况下，可将反射器降低到水平的第一位置，使之低于挡风屏的上水平面，从而保护反射器不受风的损坏。挡风屏充分地向下伸展以阻止风从下面抵达反射器，而整个设备在当反射器处于水平位置中时从任一方向均对风呈现一很低的轮廓，从而使得即使在相当频繁地发生强风的场所也能应用大直径的反射器。
本技术领域的熟知人员将会理解，可能存在许多类型的反射器支撑结构能被用于提供根据本发明的“非常平架”式反射器安装。但为使反射器支撑结构在机构上的复杂性最低，第二轴最好相对于第一垂直轴是固定的。
相应地，此反射器被安装成能相对一托架作枢轴支承，该托架可围绕第一垂直轴旋转。挡风屏可被安装成随此托架旋转。这在第二轴位于挡风屏的周边之内时是有利的，很容易理解，为了使挡风屏不致屏蔽或防碍在第二升高的位置中反射器的较低部分，可将当反射器处于第二位置中时挡风屏的对应于被第二轴对着的部分的一部分割除。这样的配置减轻了挡风屏的质量，并且因为它被安装成随托架旋转，当反射器因强风而被降低时整个设备可被旋转来将挡风屏的被切割部分置于设备的背风侧，以防止风由下面到达反射器。
为使设备对强风呈现最低的可能轮廓，当反射器处于第一水平位置中时挡风屏的下边缘最好靠近地面而此第二轴在挡风屏的下边缘之上的高度最好等于或大于第二轴与反射器周边之间的最大水平距离。这就是说，在第二垂直位置中反射器的最低边缘靠近但不能接触地面。
此设备设置有用于旋转和枢轴转动反射器以便如现有技术中那样跟踪太阳运动的装置。此外还可设置有检测风速和风向以及在所测得的风速超过一预定速度、亦即可能损坏反射器的风速时将反射器降低到第一位置的装置。用来旋转反射器的装置如上所述可适用于将反射器旋转使得挡风屏的任一被切割部分均位于设备的背风处，第二轴与所测得的风向垂直。众所周知，风速有可能在一段很短的时间内增加，因而将反射器降低到第一位置的装置可适用于迅速降低反射器。旋转反射器的装置也可适用于迅速转动设备以便将挡风屏的被切割部分置于背风处。或者，由于为跟踪太阳而作的反射器的旋转相当地慢，仅需要较低功率的旋转驱动器，可以设置挡风屏的一可拆卸部分，用来遮盖挡风屏的被切割部分或者该部分所经过的弧段，这较之设置一高速旋转驱动器要较便宜。
普通设备的再一个问题是从太阳辐射到电能的有效变换。这一问题对太阳辐射通过很大面积采集而被反射到和会聚在一很小面积中的情况尤为重要。大量的太阳能在一很小面积中的集聚将产生热能的高度密集，而存在一接收设备能允许的不致损坏的最大太阳能功率密度的实际极限。
最好此反射器为一点聚焦抛物面反射器，并在位于邻近反射器的焦点设置用于吸收由反射器收集和集聚到其上面的太阳辐射并产生电能的接收器。
适当地，此接收器具有一小孔，太阳辐射通过此孔进入一可以是所谓的“黑体吸收器”的、并伸出在孔的后面的空腔。构成此空腔的壁层最好采用适于吸收大部分入射在其面上的太阳辐射(而反射此太阳辐射最小)并将热量传导给围绕此空腔壁的一高压槽中所含的工质的材料，设置有使被加热的工质循环流通到一热机或发电机的装置，以便将此热工质所传载的热能变换成电能，此循环装置再将冷却的工质回送到高压槽。
此空腔壁的内部最好被作成在其上能均匀地分布由抛物面反射器在其上集聚太阳辐射所得到的入射到上面的太阳能的密度的形状。
接收器可被安装在一或多个从接收器沿被反射线途径向外伸展的支腿上。
最好设置屏蔽装置来保护邻近该小孔的区域内的接收器和每一支腿的外部免得其上遭受被集聚的太阳辐射的入射，以减少损坏的可能性。经集聚的太阳辐射所含的热能可能强到足以熔化大多数金属。
适当地，空腔壁由钼或其合金构成。这些金属具有温度高达1100℃时的优良的强度和热导性，而且它们不是强反射性的。因而，空腔壁可以相当薄，这有利于热能到工质的传导。此空腔壁最好涂覆高温无泽涂层以使反射性最小。
工质可以是水，或者可以是钠。钠是一种优选的工质因为它具有低蒸发压力(一般在900℃时约1.2大气压)，但它在约91℃时固化。因而在循环装置和在发电机中设置有加热和液化钠的装置，以使得在当反射器最初被校准对着太阳时工质能通过系统流动。接收器中的钠自然是由射入到接收器的太阳辐射液化的。
适当地，发电机为核动力反应堆中所采用型式的蒸汽发电机，其中，热能由钠工质传送给水，结果所得的高压蒸汽被用来驱动透平机产生电能。一台发电机可与一单个的反射器及其接收器相连，或者，如本技术中所公知的，可将来自数个反射器的被加热的工质导向一单台的大发电机。
当钼在高温下暴露在空气中时具有氧化的趋向。因而空腔中含有惰性气体或为真空。为此目的，在接收器的小孔上方设置一窗口。这样的配置也使得因对流和传导引起的热能逸出空腔的损失最小。构成此窗口的材料必须是不漏气体或空气的，并且必须传递波长在290nm与4000nm之间的辐射。玻璃，举例说，就不是合适的材料，因为它对占太阳辐射能量中重大比例的红外辐射相对地是不透明的。氯化钠是一种适当的窗口材料，如所有红外发射器中所共同应用的。另外也可采用石英，虽然这较贵和难以加工。
最好此窗口作成抛物面形状，以便能使反射器所会聚的太阳辐射尽可能近似垂直地射向此窗口。这样的配置使得被窗口反射出接收器的太阳辐射降到最少。
最好空腔的内部是对于反射器的对称轴对称的，并成形为能使入射到其上的太阳辐射的密度作均匀分布。这可以通过在成形空腔壁时考虑二个因素来达到，即增加太阳辐射在空腔壁上的入射角将在空腔壁的较大面积上散布该辐射由此而降低密度，和增加空腔壁中太阳辐射密度高的那些部分的内部半径也将降低此密度。
因此可将空腔壁构成为，从小孔向空腔的远端沿反射器的对称轴前进，空腔壁按所述顺序至少具有如下的被成形部分基本上平行于对称轴的第一部分；从对称轴发散的第二部分；围绕壁弯曲以便会聚到对称轴处的空腔的最大内部半径点的第三部分；和逐渐会聚以与对称轴相交并逐渐增加入射到其上的太阳辐射的入射角到约90°的第四部分。
此空腔壁的第一部分补偿造成被集聚的太阳辐射被反射离开接收器而不是正确地进入小孔的反射器或某些部分的任何未对准。第二部分的作用是通过增大其入射角在更大面积上散布入射的太阳辐射。这一部分中接收器的内部半径也增大，也在更大面积上扩散太阳辐射。此第二部分很重要，因为抛物面反射器的外边缘接收入射在反射器上的太阳辐射的大部分并将这些辐射集聚在空腔壁的第二部分上，而为了能构成均质材料的空腔壁和避免空腔壁中被会聚能量的“热斑”，就必须通过降低这一部分中的密度来保证太阳辐射的能量密度的均匀性。
在第三部分中，空腔壁的内部半径最大。但这一部分从反射器约在其半径一半处的环状空间接收所会聚的太阳辐射的大部分。反射器的这一区域接收和会聚的太阳辐射小于反射器的最外部分。为了沿空腔壁的这一部分得到均匀的太阳辐射密度，因而必须提高密度，这通过增大入射到其上的太阳辐射的入射角来实现。
集聚到空腔壁的第四部分的太阳辐射的大部分由反射器的最内部区域提供。反射器的这一部分收集和会聚的太阳辐射成比例地少于反射器的外面部分，因而鉴于此而增大在此第四部分上太阳辐射入射角，和减小空腔的内部半径，由此增加入射太阳辐射的密度以便使密度更均匀。
空腔的这种形状不仅使得空腔壁上太阳辐射密度均匀还削减由接收器产生的对流和黑体辐射损失。内部空腔的构形是使得将任何被反射的太阳辐射保留在空腔之内而不致通过窗口将辐射反射出空腔。
此反射器最好为抛物面的，此抛物面的严格的形状要这样确定，即要表现为一为了在给定的反射器直径下能收集和会聚最大的太阳辐射而给出大的表面面积的形状，与一给出最小“深度”、亦即当反射器处于第一水平位置时的高度的反射器，以使该反器在第一位置时设备对强风呈现最小的表面面积的形状之间的折衷。
为得到成本低的、轻便但有足够强度的和易于准确构成的反射器，反射器最好由安装到并由一框架支承的多个反射平面区段、或薄片构成。此框架多个支撑部件组成，各支撑部件从反射器外周边缘向其中心径向向内延伸并具有形成为一抛物面的扇面或呈一系列与其接近的线性步级状的平面区段支撑表面，相邻的支撑部件被加以连接。
平面区段的最大尺寸受接收器的大小、为将入射其上的太阳辐射反射进小孔而将各平面区段被对准的精确度、和抛物面反射器的整体形状限制。
适当地，每一支撑部件均具有安装在其上的连接部件，使得在相邻支撑部件的连接部件被连接到一起以形成框架时连接部件形成一以反射器的中心作为中心和半径约为反射器半径的3/4的圆或圆柱。各平面区段可被安装成跨越二支撑部件间的径向距离，而相邻支撑部件可被连接成面对基本上相等的反射器中心角。
为降低反射器的重量而同时能维持其结构完整性，无需全部支撑部件均伸展从反射器的外周边到其中心的整个距离。而是某些支撑部件可以仅伸展到沿反射器半径的一半处的点。这是利用这样的事实，即在一圆的半径增加时其周边亦增大，反之也是。因而，一大小足以跨越在反射器的外周上二相邻支撑部件之间的距离的平面区段将在一半半径处跨越三个相邻支撑部件之间的距离(和在半径的1/4处跨越四个相邻支撑部件间的距离，等等)。
每一平面区段当被安装到框架时具有一距反射器中心最远的外边缘，它基本上垂直于从所述外边缘的中心伸展到反射器中心的连线，各平面区段的外边缘的长度最好等于或小于一预定的基本上等于反射器外周边相邻支撑部件之间距离的最大长度。此预定的最大长度，如上所述，取决于接收器的尺寸。
适当地，第一支撑部件被插入在从反射器的周边伸展到其中心的第二支撑部件与第三支撑部件之间，此第一支撑部件径向向内延伸仅到达第二与第三支撑部件间的距离等于该预定的最大长度处的一点。
这样的配置不仅降低平面区段的整个数量，也减少至少某些支撑部件的长度、以及重量，而不牺牲支撑反射器的框架的结构强度。仅一些支撑部件需要伸展从反射器的外边缘到其中心的全部距离，这些支撑部件的确切数量取决于象反射器的整体尺寸和接收器的最大尺寸(它确定平面区段的最大尺寸)这样的因素，如同那些非反射器的半径长的支撑部件的尺寸。
最好地，框架由多组支撑部件组成，每一组包括一系列具有长度l1、l2、l3…lx的支撑部件，其中x为一偶数而各支撑部件的长度由下式规定(1)l1＝L(2)ln=L2]]>其中n为偶数(3)lx+12=x-1xL]]>其中n小于x/2，非偶数(4)ln＝3/4L其中n+1可以4整除＝7/8L其中n+3可以8整除＝15/16L其中n+7可以16整除
＝31/32L其中n+15可以32整除(5)Ln＝1(x+2-n)其中n>x+22]]>L为从反射器周边至其中心的距离。
将会理解，如上描述的反射器的“非常平架式”安装、太阳辐射接收器的结构和抛物面反射器的结构特点表明对用于将太阳辐射变换成电能的已知设备的重大改进。本技术领域的熟悉人士亦将了解到这些特点的每一个均能与其他的无关地独立应用。
现在参照附图举例说明按照本发明的设备的实施例，所列附图为

图1按照本发明的抛物面反射器设备的透视图；图2为图1的设备用的支撑框架的部分的一实施例的平面图；图3为图1的设备用的支撑框架的另一部分的平面图；图4为在反射器处于第一水平位置中时图2和3中所示框架的示意侧视图；图5为图2的被圈出区域的放大图；图6和7为类似于图4的侧视图但分别表示反射器处于中央的和第二垂直位置；图8、9和10为用于支撑和移动反射器的框架机构的第二实施例的视图；图11为装有图8的至图10的机构的设备的透视图；图12为用于升高反射器的框架机构的另一实施例的侧视图；图13为支撑接收器的优选方法的透视图；图14和15为表明在侧面平行的接收器空腔中由抛物面反射器产生的太阳辐射的会聚的示意图；图16和17为按照本发明的太阳辐射接收器的优选组构的侧视和示意透视图；图18至21为说明图16和17的接收器的优选特性的断面或示意图；
图22a和22b分别为构成支撑抛物面反射器的框架的部分的支撑部分的透视图和端部平面图；图23a和23b为图21a和21b的支撑部件的部分的替换组构视图；图24为包括多个支撑部件和反射平面区段的抛物面反射器的一部分的示意平面图；图25为按照本发明包括多个反射平面区段和多个支撑部件的抛物面反射器的一部分的示意平面图；图26a和26b说明抛物面反射器中用的平面区段的替换形式。
图27表示将图26b的反射平面区段固定到图22a和22b的支撑部件的方法；和图28表示对准形成抛物面反射器的部分的反射平面区段的方法。
图1表示一按照本发明的接收和会聚太阳辐射以产生电能的设备1的实施例。此设备包括一用于将太阳辐射反射进由许多支腿7安装在邻近反射器的焦点的位置处的接收器5的抛物面反射器3。
反射器被安装到一托架、即底座9，它包含有用于升高反射器3和接收器5的机构，这在下面进一步说明。此托架9被安装成围绕多个导轨11旋转，其上还安装有一当反射器3被降低到水平位置时基本上包围住它的挡风屏13。
此设备1以下述状态工作。托架9被驱动来转动和升高反射器3到面向太阳的位置，由此来收集和反射入射在反射器3上的太阳辐射以便将此太阳辐射会聚到(或进)接收器5。接收器5用来吸收热能然后将之变换成电能。这通过将在接收器5中被加热的诸如水或蒸汽之类的工质泵到透平机或热机(图中未示出)来实现，在此，工质中的热能被用来驱动发电机。被冷却的工质然后循环回到接收器5。工质的循环路线可方便地经由设备1的基座上的柔性连接(未图示)沿着一或多个支腿7内部进出发电机。
旋转和提升驱动装置(未图示)用于使反射器作方位和高度上的运动以便跟踪太阳的昼夜和季节运动，如所周知。在发生强风足以损坏反射器3或颠覆设备的情况下，反射器3被降低使其成为水平的。挡风屏13的高度是在当反射器3为水平状态时要使挡风屏13的上边缘与反射器3的周边为同一水平，或最好稍高于后者。这防止风由下面到达反射器3而可能造成对它的损坏。
由图1可看到挡风屏13具有一被切割的部分。这一部分对应于图示的被升高的位置中的反射器3的最低部分，从而反射器的该部分即不会处在挡风屏13的遮蔽中。这使得反射器3能通过围绕一尽可能低的轴转动来升高，这就意味着设备1(在反射器3被降低时)呈现给强风的是一尽可以低的轮廓。
参看图2，反射器底座9被支撑在五个类似于铁路轨道的同心圆导轨11上，并在其上面转动。底座9包括二个在导轨11上运行的平行梁15。在梁15之间与其垂直的有二根也在导轨11上运行的类似的梁17。在同一平面中并沿着圆周连接梁15一端的端头和梁15及17的双方端头的是梁19。在梁15之间和梁17之间的长弧上梁19在点21处到达该点正上方的一点并在导轨11的最外一个上面运行。
安装在并垂直于梁19的有多个三角形框架23(见图5)。如箭头24所示，它们被以变化的距离安装跨过梁19，以便使立柱25接位于最外导轨11的正上方。这样立柱25在该导轨上面形成一圆环。在立柱25上附着以包覆盖层以形成挡风屏13。框架23仅伸展到图2中所示的点27。梁15和17上安装有压载箱29，其中装填以泥土或其他合适的材料来稳定底座9。
底座9上安装有用于支撑和升高反射器3的结构31(见图3)。此结构31由两对平行梁33组成。每对梁33之间的间隙位于梁15之上。位于梁33的端头并被向上抬起的是枢轴35。这些枢轴中两个在梁15上并位于最外面第二导轨正上方。梁37位于梁33之间并与之垂直。参看图4，梁15上有一与一传动齿轮41协同动作的齿条39。传动齿轮41在杆43的端部并位于中央导轨11正上方。杆43可由另一齿条和传动齿轮系统45(见图7)作套叠式地伸长到其原始长度的180％。杆43的相对于传动齿轮41的另一端为梁33之间的枢轴47。梁49将枢轴47连接到枢轴35，正好在反射器3之下并通过反射器支撑部件运行(后面将说明)。梁49用于加强反射器支撑结构。
在传动齿轮41沿齿条39移动时围绕框轴35提升反射器支撑结构直到杆43成为垂直，如图6中所示。此时传动齿轮在最内的导轨11正上方，而立柱43和齿条及传动齿轮装置45则作套叠式伸长，直至反射器3成为如图7中所示地垂直。
抛物面反射器3包括被许多径向伸展的支撑部件支撑的反射覆盖层，下面将更详细讨论。相邻支撑部件如图3中所示沿一圆周51相连接。
圆周51以由每一对梁33和梁37的最外二根梁之间的中点连线形成的正方形为中心。枢轴47位于圆周51与各对梁33之间的中点相交点的正下方。
在梁33与二最外面梁37相遇处的点53(图3)被安装在支撑接收器的支腿7的端部。
旋转反射器底座和驱动齿条及传动齿轮系统的电动机无需很大功率，因为跟踪太阳所需的运动仅仅是很缓慢的。但如果发生强烈的风，反射器3必须作快速下降和转动。作下降可由脱离电动机并利用受控制动系统来达到。为迎风转动反射器3则必须设置高速驱动系统。
上述实施例被设计成在反射器3处于被降低的位置中时尽可能地低，以保持挡风屏13很低并处在接近地面的较慢的风中。这是在使枢轴35在反射器3之下并近可能地低于反射器3以便缩短梁33并降低对它们的弯矩，与当反射器3处于恰当地升高的位置中时保持反射器的最低边缘55(见图7)在导轨11之上之间的折衷措施。依靠使得梁15因而每对梁33相互更接近可保持点55很高，但这将增长梁33而且降低反射器支撑结构的扭转抵抗力。可能更值得有效升高梁33直至它们的端头与枢轴35成为同一水平。这样将无需梁49，但反射器3的高度将约成为下降位置的二倍，要求挡风屏13变为二倍高。这一变化具有的优点是，用来提升反射器3的装置在被降低位置中不必如此的紧凑，因为梁33与15之间具有更多空间。也可能更值得有效地使梁49或者甚至枢轴35能穿过反射器3伸出而仅损失反射器3的总反射面积的很小部分，这一变化将使反射器3和挡风屏13较之前面所说的要低。
反射器3的曲率也是折衷的。如果反射器3很深接收器5就不必那样高，但深反射器是存在数个缺点。为了截取太阳光反射器的面积较大，而这需要较多的反射材料且加工较昂贵。深反射器在被下降的位置中也较高，所以需要较高的挡风屏。也许最重要的是，经反射的太阳辐射线从反射器外边缘(大部分太阳幅射均由这里反射)射到接收器5的角度较浅。这就是说，从反射器3的外边缘反射的辐射线射到接收器5，在它们离开接收器5之前它们可能在其中仅被反射过两次。在仅仅两次反射后，此辐射线将仍然携带有相当数量的能量，它们就将损失掉。
这样，反射器3最好保持很浅而选择一个半径等于X＝0.2因而高度为Y＝0.04的反射器(反射器表面由等式Y＝X2确定)。而此反射器3外边缘的梯度将为0.4，约为22°，从而光射线将以约45°射入接收器5。这将接收器5置于反射器3的下中心点之上约1.25倍反射器半径处。
上述设备将适宜于在风速最高接近15m/s时运行。对于一75m的直径的反射器，当反射器3被充分升起并垂直面对着风时，这样的风将产生约65-85吨的力。因而，反射器3、接收器5和支撑结构31最好被设计成为类似的重量。压载箱29有助于防止结构因强风倒塌。
在很强的风的情况下，反射器3被下降到水平位置以便依靠挡风屏13挡住风。设备1还被加以转动以使点57(见图2)面对风，而将挡风屏13的弧形开口(图2中点27之间)置于背风位置。
可以设置替代的反射器提升装置，例如多级液压推杆或者与齿条和传动齿轮系统相结合的单级推杆。在不存在挡风屏13的地方可放置移动挡风屏(未图示)围住其弧段。这可能较之设置高速旋转驱动器来迎风转动点57更经济有效，如果可能无预警而发生强风的话。
图8至11说明用于支撑和提升反射器3的替代机构。类似于图2中梁15的梁15′伸展穿过挡风屏13，后者延伸为基本上为一完整的圆，仅在梁15′的上方被切断。部件59被装在反射器3的基座上，并被在点61作枢轴式安装到另一部件63的端部。部件63的另外的端头在点65被作枢轴式安装到梁15′的端部。齿条67固定到每一梁15′的上部和传动齿轮69被固定到部件59的端部。传动齿轮69的转动作用于将反射器3由图8中所示的下降位置向着垂直位置(图10和11)上升。在挡风屏13的周边外侧还设置有导轨11a、11b，供梁15′的端头在其上面运行。
图12说明用于支撑和提升反射器3的其他机构。如图2中那样，梁15″仅在挡风屏13的周边之内伸展。在梁15″的一端固定有一带枢轴15的支柱。梁49和71从这一枢轴伸展而反射器骨架则座于连接梁49和71的梁33上。在梁71和33之间还增加有轴助梁72和74作增强用。梁33由梁37相互连接，梁74由梁76相互连接。梁71与支柱73之间连接有一推杆用于将反射器3升高到所需位置。支柱73最好有足够的高度以防止反射器3的最下边缘55触及地面。
接收器最好由图13所示的梁7和8作如该图中那样的支撑。梁8的下侧覆盖耐火砖111，如梁7的下侧一部分那样。此配置降低经反射的太阳辐射被这些梁引起的阻碍。梁8最好为0.08反射器直径长。
反射器3有效地将太阳辐射反射和会聚到接收器5上。通常的接收器将热能从经集聚的太阳辐射传送给工质，此被加热的工质被用于驱动发电机。最经常的是，此工质为水而发电机包括一蒸气透平机。为使因辐射反射出接收器所造成的能量损失最小，它们通常被形成为带有作成锥体状的空间。辐射通过锥体的基部处的小孔进入空腔，而任何被反射的辐射均倾向于被反射到锥体的另一部分上而不会由接收器丢失。作成锥形的空腔的一个问题是，太阳辐射趋向于在整个空腔表面上不均匀地分布。这会产生将降低效率并可能损坏构成空腔的材料的过热点。为使太阳辐射均匀分布采用了各种不同的空腔形状，例如柱状的或连续弯曲的空腔，取得不同程度的成功。
影响集聚在接收器内的太阳辐射的均匀性的二个因素是抛物面反射器的尺寸和形状。因为反射器的面积与其半径成比例增加，反射器的外部分比内部分收集和会聚更多的太阳辐射。例如，如将圆的半径分成为10个相等长度，圆面积的大约19％是在由半径的最外面的10％所形成的环带中，面积的约17％是在下一个10％中，约15％在再一个、约13％在再下一个等等直至约1％在最内的圆中。圆面积的约1/2是由其半径的最外面30％构成的。
对于上述的抛物面反射器，其中在最外周边处反射器的梯度约为0.4，亦即约22°，光射线将以对水平的角度(假设反射器为水平的而太阳正在头顶上)即在约46.4°和88°之间进入接收器(接收器本体阻止到达反射器中央部分的太阳射线)。由于反射器最外面30％反射入射到反射器上的太阳辐射的约50％，一半的太阳辐射在角度46.4°和58.7°之间进入接收器空腔。对于一侧边平行的接收器，为清楚起见如图14和15中所示，在角度46°和58°之间反射的辐射以更大角度入射到接收器壁上，这就是说，该辐射散布在比其余的由反射器的最内部分、由中心到整个反射器半径的约70％所反射的太阳辐射散布的要小的距离上。在图14和15中，从反射器3反射的光通过一小孔79进入接收器5a的侧面平行的空腔81。空腔壁的最外部分83接收少量甚至接收不到被反射的太阳辐射，它被设置用作处理反射器3相对接收器的任何未对准情况。全部被反射太阳辐射的约50％被集聚在空腔壁的下一部分85上，太阳辐射的剩余部分被散布在空腔壁的下一部分87上，它大大长于部分85。
影响接收器空腔设计的其他因素是必须保证接收器内被反射的太阳辐射不由其中逸出(最好依靠将空腔作成这样的形状，即每一射线在空腔内至少被反射三次)和使对流和辐射损耗最小。
图16和17说明用于接收器空腔的优选形状，它吸取了改变太阳辐射密度的二个方法的优点。它们是增加太阳辐射的入射角将因在较大面积上散布而降低辐射密度，和增加接收器空腔的那些辐射密度高的部分的半径也将降低该密度。
图16以断面表示接收器5的内部空腔81的形状，它计及到上述因素能有效地使入射其上太阳辐射密度均匀。光线通过小孔79被反射进对一垂直于小孔79的轴对称的空腔81。
空腔壁的起始部分89是圆柱形的，如果反射器被正确对准将没有太阳辐射射入到这一区域，但它主要是用于防范反射器相对于接收器5的任何少量的未对准的。空腔壁的下一部分91具有一斜面，它借助增加进入射线的入射角来将这一区域所接收到的高功率密度散布在一更大面积上。此斜面还增大接收器5的半径，而将射线散布在一更大面积上。接收器壁的斜面然后在功率密度开始降低的部分93处回转。这通过减小入射角而能取得在此区域中稍加集聚射线的效果，这是必须的，因为由半径增大而造成的功率密度降低在这里最大。在部分95中，接收器壁的斜度逐渐减小来保持其越来越向着输入射线的法线，因为沿着这一区域功率密度进一步降低。减小半径(向着空腔81的远端97)也具有在这一区域中集聚的效果。
空腔81的这种形状不仅使功率密度均匀，而且也削弱由接收器产生的传导和黑体辐射损失。实现这一点是因为接收器的内部体积对接收器进孔的面积之比在这一设计中比在锥形设计中的要大得多。
如图17中所示，空腔壁上的每一点不仅从正对着的反射器边而且还以斜角从任一可由其看得见的反射器上的点接收辐射。以一典型的反射器的反射表面的“平面方块”区段为例，空腔壁上的每一点均从被围绕反射器的各个这种区段的角所划出的圆接收辐射。
图17中表示空腔壁的截面。钼合金壁99直接被太阳辐射加热。此热能流通穿过壁并被传送给工质，如熔化的钠。熔化钠穿过接收器5自上而下或由下向上地流动，见后述。钠由一包围着铝壁99的奥氏体不锈钢壳101包持着。这再由绝热层包围住，此绝热层可采取在连续不锈钢壳103内的数层真空绝缘106的形式，如果采用不锈钢，就无需挡风屏来保护接收器5。
在被集聚的太阳辐射加热的接收器的最内壳的外侧上有垂直叶片104和105(见图18a和18b)。叶片104向下伸展接收器的整个长度，而叶片105则存在于接收器的直径最大处，以减小叶片104之间的间隙。这些叶片具有数种功用。它们增加接收器在外部压力下自身的抵抗破坏的能力。这就意味着接收器壁可以成为较薄，结果能改善对钠工质的热传送。它们还增加用于热传送的表面面积，和借助设置供钠流通的沟道而有助于防止当白天的两头接收器接近水平时钠聚集在接收器的一侧。叶片在热膨胀和收缩的极限内伸长到接触不锈钢壳。
选择钼合金是因为这些合金在高达1100℃时具有极佳的强度和导热性。选择熔化的钠作为冷却剂，因为它具有低的蒸发压力，在900℃时约为1.2大气压。这就是说接收器壁上的压力很低。因此仅需很薄的钼来承受它。壁越薄越好，因为在抵达钠之前热能必须通过的距离较短，故热传导性能好。形成包容钠的其他壁101的奥氏体不锈钢含3％的钼，可承受高达750℃的高温。真空绝缘106是将热保留在钠中的理想装置。
钼也有缺点。在它于高温下暴露于空气中时会氧化。因而它必须置于惰性大气或真空中。为了维持这二种情况，必须采用气密材料来封装将发射波长290-4000nm的辐射的空腔81。玻璃对此是不适用的因为它不透过红外线，而这里存在着大量的太阳能。氯化钠可透过全部这些波长；但易于受空气中的湿气成为雾化状态。这对所有红外发射器是共同的，或许除了石英，但石英很难加工而且价格贵。氯化钠是优选材料，如果它成为雾化状时可加以抛光或替换。
窗口的形状很重要。为使进入的辐射从窗口反射最小，辐射必须尽可能接近垂直地射向它。因此它作成为如图20中所示的抛物面拱顶107的形状。
抛物面拱顶107的上边缘处的直径大于空腔入口小孔79的直径具有二个优点。它提供输入辐射以尽可能接近垂直地下落的理想形状。辐射通过拱顶行进也是发散的，因为比起在二直径相等时的情况，它从被反射的辐射的焦点通过拱顶前进得更多。这很重要，因为在高功率密度下通过拱顶行进任何被吸收的辐射均会造成很大的发热。如果接收器被抽真空时此拱顶形状在设计强度方面也是有利的。就防止因对流和传导而造成的热损失方面来说采用抽真空的接收器是可取的。
由壁99构成的空腔内表面设置以高温粗糙涂覆层(未图示)以降低辐射的反射。这一涂覆层可用来防止钼的氧化，这时将无需窗口，这取决于其相成本对于由其节省的传导和对流的损失。
采用熔化钠作为工质也有缺点。当太阳不照射时钠冷却最终在91℃转变成固态。这在接收器5中无关紧要，因为当太阳再次出现时它会立即熔化，但在将其载运到蒸汽发电机(未图示)的管道和泵中仍保持为固态。这样就必须利用由非太阳能装置供给功率的将管道和泵加热到91℃以上的装置，例如包围它们的电热线圈。钠还与水作剧烈反应，因而必须仔细地设计钠一水蒸汽发电机。这种类型的蒸汽发电机已在也是利用钠作冷却剂的快中子增殖核反应堆中成功地运行。
为通过蒸汽过热和再过热来实现标准电站的蒸汽参数54℃和16.5Mpa，钠必须要比此热很多。在也利用熔化钠作为冷却剂的快中子增殖核反应堆中，钠具有550～600℃的反应堆入口温度。
钠和钾的合金可能显现其吸引力，因为它在室温下为液态，但它对管道中采用的钢材有不利影响。泵是另一种选择，但这具有更高蒸汽压力并可能造成重金属中毒。
而在产生过量的功率的情况下，也可将被加热的工质(钠)导引至一绝热的保存罐以便在太阳不照射时被抽取来提供连续的功率。为作连续的最大功率输出而不是仅在太阳照射时，需要约三倍数量的反射器。
二氧化碳和氦气也被用作为核反应堆中的冷却剂。在一先进的气冷反应堆中，二氧化碳气体具有最大温度和压力为648℃和4.4Mpa。接收器可作适于这些条件的重新设计(见图21)。钼壁99可维持差不多同样厚度，并设置多层冷却气体管109，相互盘绕得尽可能接近，并围绕在接收器壁周围。这些管子109必须有足够厚度以承受4.4Mpa(44bar)，这不便于热传输。奥氏体不锈钢的其他壁101可保留。盘管109间的空隙可填充以优良的导热体如石墨或铝粉或颗粒。接收器壁上具有均匀的功率密度，在气体向上或向下流过接收器时将逐渐地吸取热能。这样就无需使管子109折回，由接收器的较热的下部出来回到远离接收器的上部。代之以，它可以只是向上绕回接收器接近壁。在任何情况下，热工质从接收器的最上面区域退出对降低泵动操作均是有利的。最好设置检测接收器中工质的温度的装置，通过控制装置连接到一个泵和阀门装置(未图示)，以便仅在它到达其最佳工作温度时才循环工质。
如采用热气体作为工质，它们可直接用来驱动布雷通循环气体透平发电机。
可直接利用水作为工质，但在优选的标准电站蒸汽参数约为540℃和16.5Mpa(约2500psi)时，管壁将必须厚得多。
如在运行期间迷失对太阳的跟踪，被聚焦的太阳辐射可能前进横穿接收器，而具有足够熔化钢材的太阳能通量。这样，任何易受到被聚焦的太阳影象扫过的区域均必须以耐火砖111等加以保护，见图20。设置如图示的的盘来保护最接近反射器的接收器的外侧将比以耐火砖覆盖整个接收器便宜。
图22a、22b、23a、23b和24说明用于反射太阳辐射的抛物面反射器的结构。用于支撑抛物面反射表面的框架(其一部分如图24中所示)包括多个径向伸展的支撑部件113，它们在反射器的中心和矩形板117邻接处连接到一起。每一支撑部件113包括一具有用于支撑反射器的反射表面的抛物面或接近抛物面的表面的弯曲部件115，并具有将弯曲部件115的端部结合到矩形板的纵向部件119、121。可设置交叉撑杆(未图示)来加强支撑部件113。弯曲部件115可包括有一带弯曲边缘的扁平板123，其上安装以另一长度的带状材料125以形成弯曲的T断面部件，如图23a中所示。或者，弯曲部件115’可被形成为一系列线性梯级，如图23b中所示，以便在其上安装由多个平片、或区段所构成的反射表面(这比起一弯曲的整体的反射表面更易于制造并较便宜)。
包括有这样一框架的反射器的一部分如图24中所示，相邻支撑部件113如上述被结合在一起，其上安装多个平面反射薄片127。各平面薄片127跨越相邻支撑部件113之间的距离，并安装到它们上面。由图24可看到，各平面薄片127的尺寸随其距反射器中心的距离减小而减小。这样，如图24中所示结构的反射器将具有很大数量的大小和形状不同的平面薄片127，以及如此构成的反射器将会不必要地重。因而用于这样的反射器的支撑和提升机构将同样很重，设置将无必要地昂贵。
对一抛物面反射器作的改进结构配置如图25所示。最外平面薄片127的最外边缘的最大切向长度决定于太阳辐射将被反射进的小孔的尺寸(这对各平面薄片的最大径向长度也同样适用)。从反射器的最外边缘向内作径向移动，在等于反射器半径的1/2的点上，具有长度等于最大切向长的外边缘的平面薄片127a将跨越三个相邻支撑部件115、115a、115b之间的切向距离。因而，中央支撑部件115a仅需要反射器半径的一半长。在由反射器中心起至其半径的1/4的距离处，一最大长度的平面薄片将跨越五个相邻支撑部件115、115a、115b、115a、115之间的距离，因此中央支撑部件115b仅需要反射器半径长的3/4，如此等等。
这样，随诸如平面区段的最大尺寸和反射器的直径等的因素而定，相邻支撑部件的长度即可作为反射器半径的比例以数字循环级数来表述它们的长度，亦即1，1/2，3/2，1，1/2……；或1，1/2，3/4，1/2，1，1/2，3/4，1/2……；或1，1/2，3/4，1/2，7/8，1/2，3/4，1/2，1，1/2……；或1，1/2，3/4，1/2，7/8，1/2，3/4，1/2，15/16，1/2，3/4，1/2，7/8，1/2，3/4，1/2，1，1/2……；等等。
各级数可被表示为一循环“组”，各组包括数量为2的幂的支撑部件，即2、4、8、16、32、……即2X个支撑部件。
从而，反射器可为如图25中所示结构，它比起通常的包括多个反射平面薄片的反射器既较轻也较便宜。上述的构成用于抛物面反射器的支撑框架的原理可适用于任意大小的反射器。
图26a说明由自支撑材料如抛光铝或钢127a或由玻璃127b(图25b)构成的象普通镜子那样的平面薄片。玻璃平面薄片127b将由强固但重量轻的材料的框架129支撑，例如铝合金材料的。
平面薄片127如图27中所示那样被穿过各平面薄片127a或各框架129中的孔131的可调整的螺栓装置133安装到支撑部件115，由此可将各平面薄片127借助激光器135对准来正确地把光反射进接收器(如图28中所示)。激光器135由一垂直于抛物面的对称轴的梁137支撑并沿其移动，从而使一平行该轴的激光束在大约其每一边的中点处射到各平面薄片127上。然后薄片127依靠螺栓装置133加以调节以便将光直接反射进接收器5的小孔。
在普通的镜子中，反射表面是一般为银或铝的背衬间的分界面。但波长500nm左右的光被正常的即“绿”玻璃所吸收。采用银背衬所得到的最大反射效率为85％。由减少玻璃的铁含量效率可增加到94％。这种玻璃已应用在一些太阳热能利用中。某些前面镜被涂覆以薄层硅来保护它们。硅由阱透射进UV约2500～3000nm。3000与4000之间的IR不被大气吸收但为硅吸收。如果要用硅它可被用于抛物面拱顶窗，但大的复杂尺寸中它也可能难以加工。本发明提供一较已知系统更有效且较便宜的由太阳辐射生成电能的设备，还能免遭风力损坏。很显然，接收器结构和反射器结构的特点可以被独立于这里所说明的非常平架式安装和挡风屏结构加以应用。
权利要求
1.一种收集和会聚太阳辐射的设备，包括一反射器；用于使反射器围绕第一基本垂直的轴转动的装置；用于使反射器围绕第二轴作枢轴转动的装置，此第二轴位于一平行于该垂直轴但不与之重叠的平面内，此枢轴转动装置的作用是使反射器旋转到一使反射器的周边位于基本水平的平面内的第一位置与一使反射器的周边位于基本垂直的平面内的第二位置之间的任何位置；和一挡风屏，围绕垂直轴伸展以便至少部分地包围住第一位置中的反射器的周边，此挡风屏的高度作成其上边缘与第一位置中的反射器的周边边缘处于相同水平或伸出其之上。
2.权利要求1所述设备，其特征是该第二轴是基本上水平的。
3.权利要求1或2中所述设备，其特征是该第二轴是相对于第一轴固定的。
4.权利要求1、2或3中所述设备，其特征是包括一托架和使此托架围绕第一轴转动的装置，该反射器被安装成随同此托架旋转而相对它作枢轴转动。
5.权利要求4中所述设备，其特征是挡风屏被安装到该托架以便随其旋转或者被安装成能独立于反射器运动。
6.前述权利要求中任一个所述设备，其特征是该第二轴位于挡风屏的周边之内。
7.权利要求2、或在从属于权利要求2时权利要求3至6中任一个所述设备，其特征是第二轴在挡风屏的下边缘以上的高度等于或大于反射器处在第一位置时第二轴与反射器的周边之间的最大水平距离。
8.权利要求2或在从属于权利要求2时权利要求3至7中任一个所述设备，其特征是挡风屏不伸展到在反射器处于第一位置时被第二轴所对着的反射器的周边的部分附近。
9.前述权利要求中任一个所述设备，其特征是包括有检测风速和风向的装置，当所检测的风速超过了预定速度时该枢轴转动装置用来将反射器降低到第一位置。
10.权利要求9中所述设备，其特征是该转动装置用来将反射器转动到一该第二轴垂直于所测得的风向处的位置。
11.前述权利要求中任一个所述设备，其特征是包括控制装置用以促使转动装置和枢轴转动装置驱动反射器来跟随太阳作昼夜和季节运动。
12.前述权利要求中任一个所述设备，其特征是反射器为一点聚焦反射器，此设备包括被安置于反射器的焦点近旁的接收器用于吸收由反射器收集和会聚的太阳辐射来产生电能。
13.权利要求12中所述设备，其特征是该接收器被支撑在在被反射的射线途径之外从反射器伸出到接收器的梁上。
14.前述权利要求中任一个所述设备，其特征是此反射器是抛物面的，并包括多个安装到一个框架并由其支撑的平面反射区段。
15.权利要求14中所述设备，其特征是该框架包括有多个支撑部件，这些支撑部件从反射器的外周边缘向其中心径向向内伸展并具有形成为抛物面的扇面或一系列趋近它的线性梯级的平面区段支撑表面，相邻支撑部件被连接到一起。
16.权利要求15中所述设备，其特征是某些但不是所有的支撑部件从反射器的外周边缘伸展到其中心。
17.用于收集和会聚太阳辐射的点聚焦抛物面反射器，包括多个平面反射区段，框架包括多个支撑部件，这些支撑部件从反射器的外周边缘向其中心径向向内伸展并具有形成为抛物面的扇面或呈一系列趋近它的线性梯级的平面区段支撑表面，相邻支撑部件被连接到一起。
18.利用前述权利要求中任一个所述设备的方法，其特征是包括在方位和高度上驱动反射器以便跟踪太阳的昼夜和季节运动，和在风速超过一个预定速度的情况下驱动反射器到达所述第一位置，在此位置反射器的周边至少部分地被挡风屏所包围。
全文摘要
用于收集和会聚太阳辐射以产生电能的设备,此设备(1)包括一可旋转的反射器(3),它被作枢轴转动到一侧以便能位于一垂直位置或降低到一水平位置之间。在水平时,反射器被一围绕着的挡风屏(13)保护以防遭受强风。反射器(3)最好为抛物面的并被安装成能将太阳辐射集聚和反射进接收器(5)。
文档编号F24J2/54GK1209197SQ9618010
公开日1999年2月24日 申请日期1996年12月24日 优先权日1995年12月29日
发明者约翰·哈里森 申请人:约翰·哈里森