CN101027524A - 太阳集热器、阳光聚集反射器、阳光聚集系统和太阳能利用系统 - Google Patents

太阳集热器、阳光聚集反射器、阳光聚集系统和太阳能利用系统 Download PDF

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Abstract

提供一种阳光聚集系统和利用该阳光聚集系统聚集阳光的太阳能利用系统，阳光聚集系统包括太阳集热器和阳光聚集反射器，太阳集热器包括以使具有朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面的方式由螺旋缠绕的热交换介质循环管形成的集热元件，热交换介质在该热交换介质循环管内流动，该阳光聚集反射器包括反射器组，该反射器组包括多个反射器块，每个反射器块包括使阳光会聚在集热器上的反射面，在阳光聚集系统中，在多个日光反射装置An之间阳光照射到的地方配置多个日光反射装置Bm，其中，日光反射装置An和日光反射装置Bm中的每一个在向包括日光反射装置的日光反射装置组的聚光点的方向上反射光。

Description

太阳集热器、阳光聚集反射器、阳光聚集系统和太阳能利用系统
技术领域
本发明涉及一种太阳集热器、阳光聚集反射器、阳光聚集系统和太阳能利用系统，尤其涉及有效利用太阳能的太阳集热器和阳光聚集反射器、有效聚集阳光的阳光聚集系统、以及有效利用聚集的阳光热能的太阳能利用系统。
背景技术
近年来，作为用于发电系统和化学反应处理等的各种类型系统和处理的、使用从聚集的阳光作为热源获得的热能的设备或系统，太阳集热器、阳光聚集系统以及利用聚集的阳光热能的太阳能利用系统的开发和实际利用日益进步。例如，在美国能源部进行的Solar II计划中，有聚光系统(利用塔式方法)试验示范，该系统利用置于地面上的多个反射器(以下称之为“日光反射装置(heliostat)”)，将反射的阳光集中到置于高约100米的塔的上部的集热器。在该聚光系统中，在通过集热器聚集阳光的位置平行排列多个管。这样，所聚集的阳光的热能间接加热在管中循环的熔盐。然后，将加热熔盐的热所生成的蒸汽提供给汽轮机以发电，这是检验过的(参考非专利文献1)。
然而，在Solar II计划中所使用的设备中，用以接收阳光的光接收面，即，管的外周面暴露于外界空气。这样，风从光接收面带走大量的热，并且光接收面反射的阳光和光接收面的热辐射散失到环境中。因此，实际用于加热熔盐的热能与入射阳光的能量之比很小。因此，阳光利用的效率是有限的。
而且，在非专利文献2中公开了一种阳光聚集系统(光束向下方法)，如图40所示，在该系统中，聚光反射器62置于高处位置，该位置比置于地面上的多个日光反射装置61的反射光的聚光点F稍低。这样，聚光反射器62将阳光向下反射到地面，从而被集中到地面附近的集热器63。而且，还公开了一种设备作为在该阳光聚集系统中使用的集热器，在该设备中，在截去顶端的圆锥形状双重嵌套集热容器之间的空间中形成循环流路，在该循环流路中注入熔盐。然后，阳光照射集热容器的内部以间接加热熔盐。
然而，在非专利文献2中，没有讨论优化集热器的形状。另外，在该集热器中，熔盐在循环流路内部缓慢流动，以至于对应于太阳辐射量改变时集热容器的出口中熔盐温度的改变控制温度具有较长的响应时间。因此，难以通过流量控制来精确控制温度。另外，很难以双层去顶圆锥这样的复杂形状生产大型设备，所以难以实现实际商业利用。
另外，在图40中所示的光束向下阳光聚集系统中，进一步提高了阳光利用效率。然而，在半径100m的范围内安装日光反射装置的聚光系统中，聚光反射器62的半径为几十米或更长，并且安装高度约为100m。在这种情况下，反射器经受高风压。因此，风的波动使反射器的位置发生移动或使反射器本身变形，以致于使光聚集的准确度降低。而且，需要牢固地建造支持反射器的结构以抵抗暴风雨天气中的强风，这使得建造成本增加。为了解决该问题，设计了这样的对策：将反射器分成小块，并将这些块放置成在相邻的块之间留有空间，或以预定比率间除各块，从而形成风通过的间隙。然而，在这些方法中，不能利用由日光反射装置所聚集的切到达反射器之间的间隔部分的阳光。结果，降低了聚光效率。另外，1)在反射器上反射阳光使得光路长度变长；因此，在光接收面(焦平面)上焦点变得相对较宽，从而使集热器63增大。而且，2)由于上述1)所导致的聚光不足，当熔盐在集热器63中聚集热时，熔盐的温度升高不足。3)当将集热器63置于地面附近时，沿着旋转双曲面形成聚光反射器62，使得入射光热通量更密集地分布在光接收面上的焦点附近。该特征不利于应用到重整反应器等系统，在这种系统中，入射热通量相等更为有利。使热通量的密度相等也是光束向下聚集方法尚需解决的问题。
其次，在非专利文献1和2中所公开的阳光聚集系统中，集热器或聚光反射器设置在由多个日光反射装置形成的聚光点处。
然而，这些阳光聚集系统是仍处于试验阶段的系统，在这些系统中，所聚集的光的量相当小。因此，对于建造可以聚集足够量的光以用于商业规模的大型聚光系统来说，这些系统不能解决放大这些系统时所出现的问题。例如，由于集热器或反射器所经受的风压的影响，安装集热器或反射器的高度实际上受到限制。
而且，在非专利文献3中，提出了放置多个塔的聚光系统。然而，在该聚光系统中，使所有日光反射装置属于最近的塔且将光聚集到最近的塔。因此，例如当在北半球安装该聚光系统时，在塔的南侧日光反射装置的数量密度大，这使得该聚光系统效率低下(也就是说，获得相同光量所需的日光反射装置的数量增加)。
顺便提及，在以往试验或提出的阳光聚集系统中，在远离塔放置的远日光反射装置和它的邻近日光反射装置之间，光受到干扰。为了防止这样，需要稀疏分布日光反射装置。换句话说，在地面上以相互之间适当的间隔放置多个日光反射装置，以避免光干扰。然而，在远离塔的位置处，需要长间隔以避免相邻日光反射装置之间的反射光的干扰(以下称之为“遮挡”)。因此，需要稀疏分布反射器。结果，出现以下问题(a)和(b)。
(a)存在阳光照射到但不能放置日光反射装置以反射阳光的未利用到的阳光充足的地面。因此，仅利用到一部分照射到地面的阳光。例如，在该传统聚光系统中，估计在日本纬度中昼夜平分点的中午阳光利用效率为40％。而且，随着该聚光系统增大以增加所聚集的光量，效率降低。
(b)从日光反射装置到集热器或聚光反射器的反射光的光路长度变长。因此，反射面(焦平面)上的焦点变得相对较宽。结果，还出现以下问题。
(b-1)集热器或聚光反射器需要很大以致于聚光功率低。
(b-2)由于聚光功率降低，因而回收所聚集的阳光的热能的集热器中的热交换介质的温度下降。这极大地影响了图33中所示的光束向下聚光系统。
阳光聚集效率和利用效率随着该聚光系统的增大而降低，这一问题在放大的聚光系统中更为突出，在放大的聚光系统中，在更宽范围内分布日光反射装置，并且，这一问题是建造大型聚光系统的瓶颈。
非专利文献1：J.E.P acheco and R.Gilbert，“Overview ofRecent Results for the Solar Two Test and EvaluationsProgram.”Proceedings of the 1999 ASME International SolarEnergy Conference：Renewable and Advanced EnergySystems for 21st Century，Maui，Hawaii(1999)。
非专利文献2：E.Epstein，A.Segal and A.Yogev，“Amoltensalt system with a ground base-integrated solar receiverstorage tank.”J.Phys.IV France 9，95-104(1999)。
非专利文献3：Phillipp S chramek，David R.Mills，″Multi-tower solar array″，Solar Energy 75(2003)249-260。
发明内容
本发明要解决的问题
考虑到以上情况，本发明的第一目的是提供一种太阳集热器，该太阳集热器高效和高品质地聚集阳光的热能并将热能存储在热交换介质中。
而且，本发明的第二目的是提供一种系统，该系统有效利用通过太阳集热器存储在热交换介质中的阳光热能。
本发明的第三目的是提供一种阳光聚集反射器，该阳光聚集反射器防止集热器中的光接收面(焦平面)上的焦点发散，并控制光接收面上的入射光的热通量，并且该阳光聚集反射器的抗风设计简单。
而且，本发明的第四目的是提供一种太阳能利用系统，该太阳能利用系统有效利用由阳光聚集反射器聚集的阳光的热能。
本发明的第五目的是提供一种可以高效聚集阳光的阳光聚集系统。
而且，本发明的第六目的是提供一种太阳能利用系统，该太阳能利用系统有效利用由该阳光聚集系统聚集的阳光的热能。
用于解决问题的装置
根据本发明的第一方面A，为了实现第一目的，提供一种太阳集热器，包括：集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于该集热元件的一端；热交换介质进口，通过该进口将热交换介质导入集热元件中；以及热交换介质出口，通过该出口将被通过所述阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质送出，在该太阳集热器中，通过螺旋缠绕的热交换介质循环管形成集热元件，热交换介质在该热交换介质循环管内流动，以这样一种方式形成朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面。
在根据本发明的第一方面A的太阳集热器中，通过螺旋缠绕的热交换介质循环管形成集热元件，热交换介质在该热交换介质循环管内流动，以这样一种方式形成朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面。在该集热元件中，通过经阳光进口导入的且照射到光接收面的阳光加热在热交换介质循环管内流动的热交换介质，并通过热交换介质出口送出热交换介质。然后，利用存储在热交换介质中的热能。在这种情况下，由于集热元件被形成为具有朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面，因而可以减少从阳光进口发散到外部的反射光的量。因此，可以提高阳光利用效率(转化成热能的阳光比)。而且，同样可以减少从高温光接收面生成的发散到外部的热辐射的量。因此，可以减少由热辐射引起的热损失、以及伴随风等空气流动的热损失。
根据本发明，为了实现第一目的，作为本发明的第一方面B，提供一种太阳集热器，包括：集热元件，其在内表面上具有光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于该集热元件的一端；热交换介质进口，其配置在该集热元件的上部；以及热交换介质出口，其配置在该集热元件的底部，被通过阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质通过该出口送出，在该太阳集热器中，集热元件使热交换介质作为液膜从热交换介质进口沿着光接收面靠重力向下流动，并通过热交换介质出口将热交换介质送出，以这样一种方式阳光直接照射并加热热交换介质。
在根据本发明的第一方面B的太阳集热器中，聚光元件使热交换介质作为液膜从热交换介质进口沿着光接收面靠重力向下流动，并通过热交换介质出口将热交换介质送出。在这样的集热元件中，从阳光进口导入以照射光接收面的阳光直接照射并加热作为液膜沿着该光接收面靠重力向下流动的热交换介质。通过热交换介质出口送出热交换介质。从而，将热存储在热交换介质中以待使用。在这种情况下，阳光直接加热热交换介质，同时通过该液膜间接加热了集热元件的结构材料。因此，可以防止温度变得太高，从而可以简化耐热设计并可以缩小集热元件的尺寸。
而且，根据本发明的第二方面，为了实现第二目的，提供一种包括本发明的第一方面A或B的太阳集热器的太阳能利用系统。
在该太阳能利用系统中，可以利用存储在从太阳集热器送出的热交换介质中的热能，作为发电系统、各种化学反应处理的系统、以及海水脱盐设施等中的处理用的热源。在这种情况下，可以使用根据本发明的第一或第二方面的太阳集热器，建造高效使用阳光作为热能的系统。
而且，根据本发明的第三方面，为了实现第二目的，提供一种阳光聚集反射器，其反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使所反射的阳光会聚在集热器上，该阳光聚集反射器包括反射器组，该反射器组包括多个反射器块，每个反射器块包括使阳光会聚在集热器上的反射面。
在根据本发明的第三方面的阳光聚集反射器中，包括多个反射器块的反射器组可以使由一次反射器聚集的阳光有效会聚在集热器上。另外，可以缩小每个反射器块的尺寸，使得抗风设计变得简单。
在该阳光聚集反射器中，沿着旋转二次曲面配置反射器组中所包括的每个反射器块的反射面，该旋转二次曲面的共焦点位于阳光的聚光点处，并且该旋转二次曲面的曲率半径不同。
因此，由于沿着共焦点位于阳光的聚光点处且曲率半径不同的旋转二次曲面配置反射器组中所包括的每个反射器块的反射面，因而增加了光的会聚。因此，可以防止光接收面发散，因而可以将太阳能聚集到比传统集热器小的集热器。
而且，在该阳光聚集反射器中，反射器组包括n个(n为大于或等于2的整数)沿着从聚光点到集热器的方向配置的反射器块。另外，沿着曲率半径为Rk的旋转二次曲面放置距离聚光点F1第k近的反射器块Sk的反射面(k为整数且1＜k≤n-1)；而沿着曲率半径为Rk+1的旋转二次曲面放置第k+1近的反射器块Sk+1的反射面，在曲率半径Rk与Rk+1之间存在关系Rk＜Rk+1。
因此，由于在该阳光聚集反射器中，反射器组包括数量n个(n为大于或等于2的整数)沿着从聚光点到集热器方向配置的反射器块，并且在该反射器组中，沿着曲率半径为Rk的旋转二次曲面放置距离聚光点F1第k近的反射器块Sk的反射面(k为整数且1＜k≤n-1)；而沿着曲率半径为Rk+1的旋转二次曲面放置第k+1近的反射器块Sk+1的反射面，在曲率半径Rk与Rk+1之间存在关系Rk＜Rk+1，因而，可以通过每个反射器块反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，以会聚在集热器上。
另外，在该阳光聚集反射器中，通过旋转二次曲面的一部分形成反射器块的反射面。
因此，可以通过每个反射器块的反射面反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，以会聚在集热器上，其中，通过旋转二次曲面的一部分形成每个反射器块的反射面。
而且，在该阳光聚集反射器中，通过旋转二次曲面的切面形成反射器块的反射面。
因此，由于通过旋转二次曲面的切面形成反射器块的反射面，因而可以控制在集热器的光接收面上入射光的热通量，从而以相等的热通量使能量均衡。
而且，在该阳光聚集反射器中，反射器块的反射面包括一组反射器单元，通过旋转二次曲面的一部分或切面形成每个反射器单元。
因此，由于反射器块具有包括一组由旋转二次曲面的一部分或切面形成的反射器单元的反射面，因而可以通过包括该组反射器单元的反射面来反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，从而会聚在集热器上，并且，可以通过反射器单元来调整每个反射器块的反射面的形式。
而且，在该阳光聚集反射器中，旋转二次曲面至少是从旋转双曲面和旋转椭圆面中选择的一种曲面。
因此，由于该旋转二次曲面至少是从旋转双曲面和旋转椭圆面中选择的一种曲面，因而可以通过每个反射器块的反射面来反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，从而会聚在集热器上。
而且，在该阳光聚集反射器中，多个反射器块被配置成在由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光的光路与反射的阳光的光路之间没有重叠。
因此，由于多个反射器块被配置成在由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光的光路与反射的阳光的光路之间没有重叠，因而可以通过每个反射器块的反射面来反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，从而有效会聚在集热器上。
另外，在该阳光聚集反射器中，反射器块的反射面优选沿着旋转二次曲面以围绕中心轴的环状形成，其中，该中心轴是连接阳光的聚光点与集热器的聚光面的中心的中心线。该环可以包括圆形和圆弧，并且根据如何配置多个一次反射器来最佳确定该形状。
因此，由于沿着旋转二次曲面以围绕中心轴的环状形成反射器块的反射面，其中，该中心轴是连接阳光的聚光点与集热器的聚光面的中心的中心线，因而可以通过每个反射器块的反射面来反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，从而会聚在集热器上。
而且，为了实现第四目的，作为本发明的第四方面，提供一种包括该阳光聚集反射器的太阳能利用系统。
在该太阳能利用系统中，可以利用通过阳光聚集反射器有效会聚在集热器上的阳光的热能，作为发电、合成燃料制造、各种化学处理、或海水脱盐设施的热源。
而且，在该太阳能利用系统中，集热器优选为太阳集热器，其包括：集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于集热元件的一端；热交换介质进口，热交换介质通过该入口导入到集热元件；以及热交换介质出口，由阳光加热后的热交换介质通过该出口送出；在该太阳集热器中，通过螺旋缠绕的热交换介质循环管形成集热元件，热交换介质在该热交换介质循环管内流动，以这样一种方式形成朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面。
在该太阳能利用系统中，阳光聚集反射器可以使通过一次反射器聚集的阳光有效会聚在集热器上。另外，减少了由辐射所引起的热损失、以及由风等空气流动所引起的热损失，因而可以有效使用存储在热交换介质中的会聚阳光的热能。
而且，在该太阳能利用系统中，集热器优选为太阳集热器，其包括：集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于集热元件的一端；热交换介质进口，其配置在集热元件的上部；以及热交换介质出口，其配置在集热元件的底部，被经阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质通过该出口送出；在该太阳集热器中，集热元件使热交换介质作为液膜从热交换介质进口沿着光接收面靠重力向下流动，且通过热交换介质出口送出热交换介质，以这样一种方式使阳光直接照射和加热热交换介质。
在该太阳能利用系统中，阳光聚集反射器可以使一次反射器聚集的阳光有效会聚在集热器上。另外，会聚阳光的热能被存储在作为液膜靠重力向下流动的热交换介质中，从而被有效使用。此时，阳光直接加热热交换介质。因此，可以防止温度增加，从而简化了耐热设计并缩小集热元件的尺寸。
而且，根据本发明的第五方面，为了实现第五目的，提供一种包括多个日光反射装置组的阳光聚集系统，在每个日光反射装置组中，包括在日光反射装置组中的多个日光反射装置形成阳光的聚光点，在该阳光聚集系统中，在与日光反射装置组A所包括的多个日光反射装置An(n为大于或等于2的整数)邻近的空间当中，在阳光照射到地面的位置中配置日光反射装置组B中所包括的多个日光反射装置Bm(m为大于或等于2的整数)，其中，日光反射装置组A将阳光聚集到一个聚光点Fa，而日光反射装置组B将阳光聚集到另一聚光点Fb，并且，在该阳光聚集系统中，以这样一种方式配置日光反射装置An和日光反射装置Bm：在向包括该日光反射装置的日光反射装置组的聚光点的方向上，形成每个日光反射装置An和日光反射装置Bm反射的光的光路。
在该阳光聚集系统中，在由于日光反射装置组A中所包括的多个日光反射装置An(n为大于或等于2的整数)之间的遮挡而导致的未使用的阳光所照射的地方中，配置日光反射装置组B中所包括的多个日光反射装置Bm(m为大于或等于2的整数)，其中，日光反射装置组A将阳光聚集到聚光点Fa，而日光反射装置组B将阳光聚集到聚光点Fb。然后，以这样一种方式配置日光反射装置An和日光反射装置Bm：在向包括该日光反射装置的日光反射装置组的聚光点的方向上，形成每个日光反射装置An和日光反射装置Bm所反射的光的光路。因而，不再有由于遮挡导致的未被利用的阳光照射到地面的区域。因此，几乎可以将照射到配置了日光反射装置的区域的所有阳光聚集到多个聚光点，从而可以进一步回收所聚集的阳光的能量。结果，对于照射到配置了日光反射装置的区域的阳光的总光量，场地效率几乎为100％，场地效率是可被使用作为能量的阳光的光量的比。
在该阳光聚集系统中，日光反射装置An和日光反射装置Bm优选具有相同或不同的形式。
当日光反射装置An和日光反射装置Bm具有相同形式时，首先，配置多个日光反射装置以形成日光反射装置组，从而形成一个聚光点。然后，在所配置的日光反射装置之间阳光照射到的地方配置另一多个日光反射装置，以形成朝向与所配置的日光反射装置不同方向的日光反射装置组。从而，形成另一聚光点，  因而可以提高聚光效率。
而且，在这种情况下，具有日光反射装置的生产、以及安装位置等简单的优点。另一方面，当日光反射装置An和日光反射装置Bm具有不同形式时，配置具有任意一个形式的多个日光反射装置以形成一个聚光点。然后，在所配置的日光反射装置之间阳光照射到的地方配置具有另一形式的日光反射装置。从而形成另一聚光点，因此可以提高聚光效率。在这种情况下，包括在任意一个日光反射装置组中的日光反射装置具有适合于所配置的日光反射装置之间阳光照射到的地方的形式。该形式对应于形成另一日光反射装置组的日光反射装置的形状、以及形式等。因而，具有可以提高聚光效率的优点。
而且，在该阳光聚集系统中，优选以这样一种方式配置日光反射装置组A和日光反射装置组B：在北半球中，在一个聚光点Fa的北侧形成另一聚光点Fb，而在南半球中，在一个聚光点Fa的南侧形成另一聚光点Fb。
在下文中，除非特别说明，否则都根据北半球的情况说明北或南。在南半球的情况下，北和南互换。换句话说，以北替换南，并以南替换北。
以这样一种方式配置日光反射装置组A和日光反射装置组B：以差不多相等的间隔形成所需数量的聚光点，使得在北半球中，在一个聚光点Fa的北侧形成另一聚光点Fb，而在南半球中，在一个聚集点Fa的南侧形成另一聚光点Fb。因而，即使在狭长区域中，也可以有效聚集所需量的阳光，而与配置日光反射装置的区域面积无关。
而且，在该阳光聚集系统中，日光反射装置组A优选包括多个第一日光反射装置。并且，日光反射装置组B优选包括多个第二日光反射装置。根据该聚光系统是位于北半球还是南半球的区域中，优选在由日光反射装置组A所形成的聚光点Fa的北侧或南侧形成日光反射装置组B的聚光点Fb。另外，优选以这样一种方式配置第一日光反射装置：使反射面朝向太阳和聚光点Fa。优选以使反射面朝向太阳和聚光点Fb的方式，将第二日光反射装置配置在日光反射装置A中所包括的多个第一日光反射装置An(n为大于或等于2的整数)之间阳光照射到的且比第一日光反射装置更接近地面的地方。
在该阳光聚集系统中，在由于日光反射装置组A中所包括的多个第一日光反射装置之间的遮挡而导致的未被利用的阳光照射到的地方中，配置将阳光聚集到另一聚光点Fb的日光反射装置组B中所包括的多个第二日光反射装置。而且，以使反射面朝向太阳和聚光点Fa的方式配置第一日光反射装置。并且，以使反射面朝向太阳和聚光点Fb的方式配置第二日光反射装置。另外，在日光反射装置组A中所包括的多个第一日光反射装置An(n为大于或等于2的整数)之间阳光照射到的且比第一日光反射装置更接近地面的地方配置第二日光反射装置。因此，第一日光反射装置和第二日光反射装置反射的光的光路被导向每个日光反射装置所属的日光反射装置组的聚光点Fa或Fb。结果，不再有由于遮挡而导致的未被利用的阳光照射到的地面的区域。因此，几乎可以将照射到配置了日光反射装置的区域的所有阳光聚集到多个聚光点，以回收所聚集的阳光的能量。
而且，在该阳光聚集系统中，优选地，第二日光反射装置可以根据白天和季节中的时间来改变位置和移动第二日光反射装置本身的反射面以跟随太阳，以这样一种方式使在反射面上接收最大量的阳光。
在该太阳聚集系统中，由于第二日光反射装置可以根据白天和季节中的时间，改变位置和移动第二日光反射装置本身的反射面以跟随太阳，以这样一种方式使在反射面上接收最大量的阳光，因而第二日光反射装置可以移动到躲开由第一日光反射装置形成的阴影的位置，并随着一天中和季节性太阳仰角的变化而每小时发生改变。结果，可以提高聚光效率。
而且，在该阳光聚集系统中，优选地，在南北方向上交替配置日光反射装置组A和日光反射装置组B。并且，日光反射装置组Bh1(h1为大于或等于1的整数)与下一个日光反射装置组Ak1(k1为大于或等于2)优选形成一个聚光点。
在该阳光聚集系统中，由于在南北方向上交替配置日光反射装置组A和日光反射装置组B，并且由于日光反射装置组Bh1(h1为大于或等于1的整数)和下一个日光反射装置组Ak1(k1为大于或等于2)形成一个聚光点，因而，可以以在一个聚光点Fa的北侧形成另一聚光点Fb的方式，以差不多相等的间隔在南北方向上串联形成所需数量的聚光点。因此，即使在狭长的区域中，也可以有效聚集所需量的阳光，而与配置日光反射装置的区域的面积无关。
而且，该阳光聚集系统优选包括单元，该单元包括三个日光反射装置组。优选地，以该单元中所包括的日光反射装置组分别形成的三个聚光点位于底边对准东西方向的三角形的顶点的方式配置该日光反射装置组。
由于该阳光聚集系统包括单元，该单元包括三个日光反射装置组，并且以该单元中所包括的日光反射装置组分别形成的三个聚光点位于底边对准东西方向的三角形的顶点的方式配置该日光反射装置组，因而，以选择用以最大化聚集的光的量的聚光点的方式配置第一日光反射装置。而且，在发生遮挡的区域中配置第二日光反射装置。因此，可以将光聚集到日光反射装置北侧的最大化聚集的光的量的聚光点。结果，第二日光反射装置可以根据一天中的变化和阳光照射角度的季节变化，在任何时间形成最佳聚光点。因此，与日光反射装置是固定的聚光系统相比，可以最大化一年中聚集的光的量。
而且，在该阳光聚集系统中，该三角形优选是等腰三角形，其底边对准东西方向，并且，在北半球中，其顶点位于底边的北侧，而在南半球中，其顶点位于底边的南侧。
在该阳光聚集系统中，由于该三角形是底边对准东西方向的等腰三角形，因而可以进一步提高聚光效率。
而且，在该聚光系统中，优选在东西方向和南北方向上的三角形格中配置该单元。
在该阳光聚集系统中，由于在东西方向和南北方向上的三角形格中配置各单元，因而可以在任何形状的场地中提高聚光效率。而且，当每一行交错配置塔时，可以减少阴影的影响。
而且，根据本发明的第六方面，为了实现第六目的，提供一种太阳能利用系统，在该太阳能利用系统中，将集热器放置在分别由阳光聚集系统中的多个日光反射装置组形成的每个聚光点处，以回收所聚集的阳光的能量。
在该太阳能利用系统中，由于将集热器放置在分别由阳光聚集系统中的多个日光反射装置组形成的每个聚光点处，以回收所聚集的阳光的能量，因而以高场地效率聚集照射到配置了日光反射装置的区域的阳光，从而可以有效利用聚集的阳光的热能。
而且，根据本发明，提供一种太阳能利用系统，在该太阳能利用系统中，将具有沿着旋转二次曲面形成的反射面的反射器放置在分别由该阳光聚集系统中多个日光反射装置组形成的每个聚光点处，以将阳光以及该阳光的热能聚集到置于反射器下的集热器。
在该太阳能利用系统中，由于将具有沿着旋转二次曲面所形成的反射面的反射器放置在分别由阳光聚集系统中多个日光反射装置组形成的每个聚光点处，以将阳光以及该阳光的热能聚集到置于反射器下的集热器，因而以高场地效率聚集照射到配置了日光反射装置的区域的阳光，从而可以有效利用所聚集的阳光的热能。
而且，根据本发明，提供一种太阳能利用系统，在该太阳能利用系统中，将该阳光聚集系统聚集的阳光的热能用于发电或工业处理。
在该太阳能利用系统中，  由于将该阳光聚集系统高效聚集的阳光的热能用于发电或工业处理，因而以高场地效率聚集照射到配置了日光反射装置的区域的阳光，从而可以有效利用聚集的阳光的热能。
而且，在该太阳能利用系统中，集热器优选为太阳集热器，该太阳集热气包括：集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于集热元件的一端；热交换介质进口，热交换介质通过该进口导入到集热元件；以及热交换介质出口，通过阳光加热后的热交换介质通过该出口送出，在该太阳集热器中，通过螺旋缠绕的热交换介质循环管形成集热元件，热交换介质在该热交换介质循环管内流动，以这样一种方式形成朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面。
在该太阳能利用系统中，使用根据本发明的第一方面A的太阳集热器作为集热器，以使一次反射器聚集的阳光有效会聚在集热器上。另外，可以将会聚的阳光的能量高效存储在热交换介质中，从而可以利用所存储的热能。
而且，在该太阳能利用系统中，集热器优选为太阳集热器，该太阳集热气包括：集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于集热元件的一端；热交换介质进口，其配置在集热元件的上部；以及热交换介质出口，其配置在集热元件的底部，被经阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质通过该出口送出，在该太阳集热器中，集热元件使热交换介质作为液膜从热交换介质进口沿着光接收面靠重力向下流动，并且通过热交换介质出口将热交换介质送出。
在该太阳能利用系统中，多个日光反射装置组以高场地效率聚集阳光，而置于每个聚光点处的集热器将聚集的阳光的能量存储在作为液膜靠重力向下流动的热交换介质中，并且有效地聚集能量，从而可以有效利用阳光的热能。
而且，在该太阳能利用系统中，反射器优选为阳光聚集反射器，其反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使所反射的阳光会聚在集热器上，该阳光聚集反射器包括反射器组，该反射器组包括多个反射器块，每个反射器块均具有使阳光会聚在集热器上的反射面。
在该太阳能利用系统中，多个日光反射装置组以高场地效率聚集阳光，并且阳光聚集反射器使所聚集的阳光的能量会聚在集热器上，从而可以有效利用阳光的热能。
另外，在该太阳能利用系统中，集热器优选为太阳集热器，该太阳集热器包括：集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于集热元件的一端；热交换介质进口，热交换介质通过该进口导入到集热元件中；以及热交换介质出口，被阳光加热后的热交换介质通过该出口送出；在该太阳集热器中，通过螺旋缠绕的热交换介质循环管形成集热元件，热交换介质在该热交换介质循环管内流动，以这样一种方式形成朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面；并且，该反射器优选为阳光聚集反射器，其反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使所反射的阳光会聚在集热器上；该阳光聚集反射器包括反射器组，该反射器组包括多个反射器块，每个反射器块具有使阳光会聚在集热器上的反射面。
在该太阳能利用系统中，阳光聚集反射器可以有效聚集由多个一次反射器反射到聚光点的阳光。另外，可以使所聚集的阳光会聚在根据本发明的第一方面A的太阳集热器上。然后，可以将所会聚的阳光的能量高效存储在热交换介质中，并且可以利用所存储的热能。
而且，在该太阳能利用系统中，集热器优选为太阳集热器，该太阳集热器包括：集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；阳光进口，其开口于集热元件的一端；热交换介质进口，其配置在集热元件的上部；以及热交换介质出口，其配置在集热元件的底部，被经阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质通过该出口送出，在该太阳集热器中，集热元件使热交换介质作为液膜从热交换介质进口沿着光接收面靠重力向下流动，并且在该太阳集热器中，反射器优选为阳光聚集反射器，其反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使所反射的阳光会聚在集热器上，该阳光聚集反射器包括反射器组，该反射器组包括多个反射器块，每个反射器块具有使阳光会聚在集热器上的反射面。
在该太阳能利用系统中，阳光聚集反射器可以有效聚集由多个一次反射器反射到聚光点的阳光。另外，可以使所聚集的阳光会聚在根据本发明的第一方面B的太阳集热器上。然后，可以将会聚的阳光的能量存储在作为液膜靠重力向下流动的热交换介质中，从而可以有效利用所存储的热能。
附图说明
图1是示出根据本发明第一实施例的太阳集热器的轮廓的示意图。
图2(a)是图1中所示的太阳集热器的示意性横断面。
图2(b)是沿着图2(a)中所示的线A-A截取的横断面。
图3是示出太阳集热器中的热平衡的图。
图4是示出太阳集热器的横断面形状以及关于光接收面中的热通量分布的模拟结果的图。
图5是示出集热元件的形状的例子的示意图。
图6是示出第一实施例的太阳集热器的光接收面中温度分布的模拟结果的图。
图7(a)是示出集热元件中所包括的由8螺纹形成的热交换介质循环管的例子的透视图。图7(b)是沿着图7(a)中所示的线B-B所截取的横断面。
图8是示出根据本发明第二实施例的太阳能利用系统的示意图。
图9(a)是示出根据本发明第三实施例的太阳集热器的轮廓的示意图。图9(b)是示出修改后的例子的示意图。图9(c)是沿着图9(a)和9(b)中所示的线B-B和C-C所截取的横断面。
图10(a)和10(b)是分别示出图9(a)和9(b)的优选形式的示意性横断面。图10(c)是沿着图10(a)或10(b)中所示的线B-B或C-C截取的横断面。
图11是示出当使用着黑色的混合熔盐作为热交换介质时模拟集热元件里部和外部的温度分布的结果的图。
图12是示出当使用透明热交换介质时模拟集热元件里部和外部的温度分布的结果的图。
图13是示出根据本发明第四实施例的太阳能利用系统的示意图。
图14是示出根据本发明第五实施例的阳光聚集反射器的图。
图15是示出由于太阳的位角(parallactic)所导致的会聚在聚光面上的阳光发散的示意图。
图16是示出根据本发明第六实施例太阳能利用系统的结构例子的示意图；
图17是示出根据本发明第七实施例阳光聚集系统的示意图。
图18(a)是示出第一日光反射装置的透视图。
图18(b)是示出第二日光反射装置的示意图。
图18(c)是示出第二日光反射装置的安装例子的图。
图19是示出模拟第一日光反射装置的影长和方向随时间的改变以及第二日光反射装置的移动的图。
图20是示出来自太阳的入射光、到塔的反射光、以及由第一日光反射装置所引起的阴影和干扰(遮挡)之间的关系的图。
图21是示出当塔竖立在场地中央时与日光反射装置有关的各种参数在南北方向上的分布的图。
图22(a)是示出在南北方向上串联配置两个日光反射装置组的情况下的阳光聚集状态的示意图。图22(b)是示出在南北方向上串联配置多个日光反射组的结构的示意图。
图23(a)是示出在三角格中形成聚光点的聚光系统的示意图。图23(b)是示出图23(a)中所示的聚光系统中所包括的单元的示意图。
图24是示出开放式Brayton(布雷顿)循环发电系统的具体例子的示意图。
图25是示出燃气轮机发电系统的具体例子的示意图。
图26是示出二氧化碳的压缩系数z如何依赖于温度和压力的图。
图27是示出图25中所示的包括再生式热交换器和中间热交换器108的燃气轮机发电系统与不具有回热循环的燃气轮机发电系统之间的单位功率-循环热效率的关系的图。
图28是示出循环热效率如何依赖于膨胀比的图。
图29是示出再生式热交换器的效率如何影响循环热效率的图。
图30是示出太阳能多重利用系统的具体例子的示意图。
图31是示出本发明的阳光聚集反射器中的反射器组的结构例子的图。
图32是示出光如何在聚光面上发散的图。
图33是示出当使用多个反射器块时热通量分布变得平坦的图。
图34是示出每个反射器块均包括球面的反射器组的例子的图。
图35是示出在阳光聚集系统中当将光从围绕塔(聚光点)配置的多个第一日光反射装置收集到置于该塔的上部的集热器时各种参数在南北方向上的分布的图。
图36是示出在将本发明应用于具有两个塔(聚光点)的阳光聚集系统的情况下当塔的位置可变时聚光密度的场地平均值(南北方向上每单位长度可以聚集的光量)的图。
图37是示出本发明的具有两个聚光点(塔)的聚光系统中最佳聚光点处的各种参数的计算结果的图。
图38是示出对于具有两个聚光点(塔)的聚光系统，在本发明的聚光系统中用以获得相同光量所需的日光反射装置的数量较小的图。
图39是示出在太阳仰角为45度的情况下日光反射装置的最佳配置的计算结果的图。
图40是示出传统光束向下阳光聚集系统的例子的示意图。
具体实施方式
这里将根据需要参考附图详细说明本发明的实施例。
第一实施例
图1是示出根据本发明第一实施例的太阳集热器的例子的示意图。
图1示出其轮廓的太阳集热器1包括集热元件3、开口于集热元件3一端的阳光进口4、以及图2(a)中示出的用于将热交换介质导入到集热元件3的热交换介质进口5、和热交换介质出口6。
通过螺旋缠绕的循环热交换介质的循环管7形成集热元件3，其中，热交换介质在热交换介质循环管7内流动。这样，由暴露于集热元件3内部的热交换介质循环管7的外周面构成光接收面2。光接收面2向开口于集热元件3一端的阳光进口4向内弯曲变窄。通过根据后面所述的所聚集的阳光SB的热通量分布等缠绕的热交换介质循环管7理想地形成光接收面2的向内弯曲的形状。例如，以具有如图2(a)的示意性横断面中示出的总体上上部(阳光进口4侧)窄而下部(热交换介质进口5侧)宽的横断面的空腔形状理想地形成该形状。
可以使用横断面为圆形和三角形等中的任何一种的管，作为热收集元件3中所包括的热交换介质循环管7。特别地，当缠绕热交换介质循环管7以形成热收集元件3时，具有圆形横断面形状的管是有利的，因为在生产流路中焊接较小量的部分。在使用NaNO3和KNO3混合熔盐或NaNO3、KNO3、和NaNO2混合熔盐作为热交换介质的情况下，考虑耐蚀性、耐热性、以及价格等，奥氏体(Austenitic)不锈钢有利于作为热交换介质循环管7。而且，根据熔盐的压力和所需的高温强度等需要确定管厚度。
而且，优选针对光吸收率和耐热性来处理热交换介质循环管7的光接收面2。作为针对光吸收率和耐热性的处理，在光接收面2上涂抹光吸收率和耐热性卓越的涂料，或采用光吸收率和耐热性卓越的化学表面处理。在本发明中，“光吸收率”意为对阳光成分中波长带宽0.2-2.5μm的光成分的吸收系数为80％或更高。
例如，可以使用B.J.Wolfe Enterprise生产的Pyromark涂料等作为光吸收率和耐热性卓越的涂料。
另外，在集热元件3的外部优选配置绝热部分(未示出)。因此，阻断了集热元件3的外壁向外部的热辐射，从而有效防止了热交换介质的热能损失。例如，可以在集热元件3的外侧形成由主要成分是铝、或硅等的陶瓷纤维绝热材料制造的绝热部分。
阳光进口4开口于集热元件3的一端，从而通过阳光进口4导入所聚集的阳光。然后，导入的阳光SB照射光接收面2以间接加热在热交换介质循环管7里面循环的热交换介质，其中，热交换介质循环管7形成光接收面2。阳光进口4还可以开口于集热元件3的较低端。而且，还可以在集热元件3的上端和下端分别配置热交换介质进口5和热交换介质出口6。另外，不是必需以该方法配置阳光进口4、热交换介质进口5和热交换介质出口6，而是可以以各种方法进行配置。例如，当阳光从上端进入时，开口优选配置在上部。而当阳光从下端进入时，开口优选配置在下部。
如图2(b)中所示，集热元件3底部中心的热交换介质进口5与形成集热元件3的热交换介质循环管7连接。这样，通过泵等发送器(未示出)推出的热交换介质被导入到热交换介质循环管7。可以在热交换介质进口5中配置阀门等流量控制器以控制在热交换介质循环管7里面循环的热交换介质的流率。
如图2(a)中所示，集热元件3的上部的热交换介质出口6与形成集热元件3的热交换介质循环管7连接。因此，被阳光加热的在热交换介质循环管7里面循环的热交换介质通过热交换介质出口6送出。
这里，不是必需如图1和2(a)中所示配置热交换介质进口5和热交换介质出口6，也可以将它们分别配置在集热元件3的上部和底部中心。尤其，当阳光的最早入射光会聚在集热元件3的上部时，该配置非常有利。
可以无特别限制地使用耐热温度大于或等于500℃的任何热交换介质。例如，可以使用NaNO3和KNO3混合熔盐或NaNO3、KNO3、和NaNO2混合熔盐。使用熔盐或混合熔盐用以提供促进燃料转化的化学反应(例如，天然气的重整反应)的温度和能量、蒸汽轮机发电的热能、或海水脱盐设备的热源。
考虑阳光照射到的光接收面2的温度、从光接收面2到热交换介质的传热、以及所导入的阳光的热通量分布(光接收面每单位面积的热能)等，优化太阳集热器1中的集热元件3的形状。集热元件3的形状包括阳光进口4的开口直径和开口形状、以及通过缠绕热交换介质循环管7所形成的光接收面的向内弯曲的形状。这里，集热元件3中的热平衡如图1和3所示被定义。更具体地，假定入射能，即，通过阳光进口4导入的阳光SB的热能为100。而且，用A表示转移到热交换介质的净热能，用B表示集热元件3内侧的阳光反射所导致的损失，用C表示光接收面2的热辐射所导致的损失，用D表示光接收面2的对流传热所导致的损失，并且用E表示集热元件3的外壁对流传热所导致的损失。因此，图4(a)～4(f)示出与集热元件3的横断面形状相对应的光接收面2上的热通量分布的计算结果。结果，图4(b)示出集热元件3具有图4(a)所示四边形横断面的情况下热通量分布，其中，热通量集中在上部。而且，图4(d)示出集热元件3具有图4(c)所示横断面形状的情况下的热通量分布，其中，除了集热元件3中心的峰以外几乎是平均的。另外，图4(f)示出集热元件3具有图4(e)所示横断面形状的情况下的热通量分布，其中，在集热元件3的高度方向上是平均的。
作为考虑在这样的集热元件3中热平衡的结果，可以理解，图5中所示集热元件3的形状有效优化了光接收面2上的热通量分布，并且有效提高了太阳集热器1中的阳光利用效率，即，A/100。该形状是总体上具有上部窄而下部宽的横断面的空腔形状，具有以下公式(1)和(2)所表示的关系。这里，用Da表示阳光进口4的开口直径，用Ho表示集热元件3的高度，用Hm表示从集热元件3的开口的相反端测量的最膨大部分M的高度，而用Dmax表示最膨大部分M的直径。
1≤Dmax/Da＜3    (1)
0＜Hm/Ho＜0.8    (2)
而且，通过所用的热交换介质的上限温度和与热交换介质接触的热交换介质循环管7的内表面的上限温度来确定形成光接收面2的热交换介质循环管7(管)的内径。另外，通过发送热交换介质的泵的最大排出压力的限制来确定热交换介质循环管7中的压力损失的上限。因此，可以确定集热元件3的整体形状和热交换介质循环管7的内径，以满足这两个限制条件。顺便提及，如图6所示，假定经过阳光SB照射和加热的光接收面2侧的热交换介质的表面温度为600℃，并且假定从热交换介质循环管7的外侧到内侧的热通量的大小为300kW/m2。那么，在热交换介质循环管(管)7内部循环的热交换介质的温度约为550℃，其中，热交换介质循环管7是由厚度约5mm的SUS316不锈钢制造的。因此，考虑这样的温度分布，可以根据需要确定热交换介质循环管7的厚度、材料、以及内径等。
在太阳集热器1中，通过热交换介质进口5导入热交换介质以在热交换介质循环管7里面循环。因此，通过经阳光进口4导入的阳光照射的光接收面2来加热热交换介质。通过热交换介质出口6将加热后的热交换介质送出，并将其提供作为发电系统和化学反应处理等各种系统和处理的热源。在这种情况下，在使用NaNO3和KNO3混合熔盐作为热交换介质的情况下操作太阳集热器1时，控制热交换介质的流率和流速等，以将热交换介质循环管7里面循环的混合熔盐的温度维持在混合熔盐的熔点(220℃)和所使用的混合熔盐的上限温度(600℃)这两个温度之间的范围内。
在太阳集热器1中，照射光接收面2的阳光的一部分被反射。然而，大部分被反射的光再照射太阳集热器1中的光接收面的其它部分，从而减少了通过阳光进口4弥散到外部的反射光。因此，太阳集热器1有效提高了照射阳光的利用效率(转换成热的照射阳光的比)。而且，同样还可以降低热辐射量从而减少了由热辐射所导致的热损失，其中，热辐射是从具有高温的光接收面生成的，并弥散到外部。另外，如图1所示，以具有上横断面窄的空腔形状形成集热元件，从而减少了由热对流所导致的热损失。
而且，对于太阳集热器1的大小，在热功率为100MW的情况下，直径和高度均约为10-20m。在具有这样大小的集热元件3中，与组合金属板以形成流路的结构相比，将管螺旋弯曲以形成熔炉的结构在结构强度上更为有利，并且易于生产，  因为热应力可以较小。
另外，太阳集热器1可以在阳光进口5中包括绝热和遮挡阳光SB的机构。在集热元件3丧失冷却能力等紧急情况下，该机构保护集热元件3。通过由一个缠绕的热交换介质循环管7形成的所谓单螺纹形成上述第一实施例的太阳集热器1。然而，可以通过多个缠绕的热交换介质循环管7形成本发明的太阳集热器1。例如，如图7(a)和7(b)所示，可以缠绕8个热交换介质循环管7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g和7h以形成太阳集热器1。在这种情况下，热交换介质进口5和热交换介质出口6可以包括具有分支进口和出口管的集管，该集管被分支并连接到8个热交换介质循环管7a、7b、7c、7d、7e、7f、7g和7h。
第二实施例
接着，图8是示出根据第二实施例的太阳能利用系统的例子的示意图，其使用根据本发明第一实施例的太阳集热器1。
图8中所示的太阳能利用系统包括第一聚光系统FC、第二聚光系统SC、第三聚光系统CPC、太阳集热器1、高温热交换介质槽81、热交换器82、低温热交换介质槽83、以及热交换介质净化系统84。而且，太阳集热器1、高温热交换介质槽81、热交换器82、低温热交换介质槽83和热交换介质净化系统84通过流路相互连接，其中，热交换介质通过该流路循环。另外，在某些地方配置阀门等。
使用与根据第一实施例的太阳集热器相似的太阳集热器1。
而且，高温热交换介质槽81、热交换器82、低温热交换介质槽83和热交换介质净化系统84没有特别限制，并且可以根据使用的热交换介质、容量、以及热交换介质的纯度需求等，按照需要对它们进行选择。
在该太阳能利用系统中，通过包括反射器等的第一聚光系统FC和第二聚光系统SC聚集来自太阳S的阳光SB。另外，通过太阳集热器1上方的第三聚光系统CPC进一步回收所聚集的阳光SB，并经过太阳集热器1的阳光进口4导入阳光SB。所导入的阳光SB照射太阳集热器1的光接收面2。因此，通过光接收面2加热通过热交换介质进口5导入的且在热交换介质循环管7里面循环的热交换介质。然后，通过热交换介质出口6将存储热能的加热后的热交换介质送出(参照图1和2)。通过热交换介质出口6送出的热交换介质通过流路发送到高温热交换介质槽81。然后，将发送到高温热交换介质槽81的热交换介质提供给热交换器82，并且热交换介质将热能提供给与热交换器82连接的热利用设施。例如，热利用设施进行蒸汽轮机发电、碳氢化合物的高温分解、或从天然气和煤炭生产液体燃料等。
通过热交换器82交换热交换介质的一部分热能，所以热交换介质的温度降低。然后，将热交换介质发送给低温热交换介质槽83并临时存储在其中。并且，通过热交换介质净化系统84净化临时存储在低温热交换介质槽83中的低温热交换介质，并再次将热交换介质提供到太阳集热器1的热交换介质进口5。热交换介质净化系统84防止循环中的热交换介质和管路材料腐蚀和降解从而阻塞热交换介质循环管7等，或防止热交换介质的热容量降低以降低太阳能利用效率。因此，热交换介质净化系统84净化热交换介质以清除热交换介质中的腐蚀产物，从而使太阳集热器91可以长期稳定运行。而且，当不需要热交换介质的净化时，可以不通过热交换介质净化系统84，而是通过热交换介质净化系统84的旁路，在不被净化的情况下，将热交换介质提供给太阳集热器1
而且，高温热交换介质槽81存储热交换介质，并根据热利用设施中所需的热能将热交换介质提供给热交换器82。例如，在热利用设施是发电站的情况下，可以根据待生成的电量的变化，控制提供热交换介质。
因而，发电站可以以恒定输出功率连续24小时运行。
第三实施例
接着，图9(a)是示出根据本发明第三实施例的太阳集热器91的示意性横断面。
图9(a)中所示的太阳集热器91包括：集热元件93，其内表面构成光接收面92，在光接收面92，热交换介质作为液膜靠重力向下流动；阳光进口94，其开口于集热元件93的上端；热交换介质进口95，热交换介质通过该进口导入到集热元件93；以及热交换介质出口96。
在集热元件93中，组合薄板以形成光接收面92，光接收面92在内表面上接收阳光SB，并且，在光接收面92上，热交换介质作为液膜靠重力向下流动。而且，光接收面92向内弯曲，并且朝向开口于集热元件93的上端的阳光进口94变窄会聚。与第一实施例相似，根据所聚集的阳光SB的热通量分布、以及沿着光接收面92作为液膜靠重力向下流动的热交换介质的粘性、流率、导热性和液膜厚度等，优化光接收面92的向内弯曲的形状。例如，如图9(a)的示意性横断面中所示，具体例子是巨大的桶状，整体上，上部(阳光进口94侧)窄，中间宽，并且在一端具有焦点。
而且，第三实施例的太阳集热器的形状不局限于具有图9(a)中所示的横断面形状的形状。如图9(b)中所示，可以以巨大的喇叭状形成接收面92，该喇叭形状从开口于集热元件93的上端的阳光进口94向热交换介质出口96逐渐变细。而且，由在一端附近具有焦点的旋转双曲面形成的集热元件93，也是候选的集热元件。另外，可以以圆柱状形成集热元件3。具有喇叭状横断面的集热元件93是有利的，因为光接收面92上热交换介质温度高的区域(集热元件3的下部)中热交换介质的小表面积可以减少由光接收面92上的热辐射所导致的损失。
如图10(a)和10(b)中所示，在图9(a)和9(b)中分别示出的集热元件93中，在光接收面上优选地突出图10(c)中所示的流动导引条98。流动导引条98防止光接收面92上的流动偏离以保持热交换介质的液膜重力流处于良好状态。而且，流动导引条有效提高了集热元件3的结构强度。
而且，为了光吸收率和耐热性，优选处理集热元件93的光接收面92。作为针对光吸收率和耐热性的处理，在光接收面2上涂抹光吸收率和耐热性卓越的涂料，或采用光吸收率和耐热性卓越的化学表面处理。光吸收率和耐热性卓越的涂料或化学表面处理与第一实施例中的相似，而在这里不对其进行讨论。
另外，与第一实施例中的相似，也优选在集热元件93外面配置绝热部分(未示出)，在这里不对其进行讨论。
在本实施例中，阳光进口94开口于集热元件93的上端。因此，通过阳光进口94导入所聚集的阳光。然后，所导入的阳光SB照射光接收面2以直接加热作为液膜沿着光接收面2靠重力向下流动的热交换介质。阳光进口94可以开口于集热元件93的下端。
如图9(a)和9(b)中所示，将热交换介质进口95配置在集热元件93的上部。因此，热交换介质进口95包括分配器，该分配器沿着作为集热元件93的内表面的光接收面92喷射由泵等发送器(未示出)推出的热交换介质。从热交换介质进口95喷射的热交换介质形成液膜，并沿着光接收面靠重力向下流动。在热交换介质进口95中可以配置阀门等流量控制器，以控制作为液膜沿着光接收面92靠重力向下流动的热交换介质的流率。结果，不管入射光能量的变化，在任何时间都可以以恒定温度送出热交换介质，从而可以聚集高质量的能量。
如图9(a)或9(b)所示，在集热元件3的底部配置热交换介质出口96。因此，作为液膜沿着光接收面92靠重力向下流动的且被阳光加热的热交换介质通过热交换介质出口96送出。
可以使用粘性足够作为液膜沿着光接收面92靠重力向下流动的任何热交换介质，而无特别限制。例如，可以使用NaNO3和KNO3混合熔盐以及NaNO3、KNO3和NaNO2混合熔盐。可以使用熔盐或混合熔盐以提供促进燃料转化的化学反应的温度和能量。尤其，在第三实施例的太阳集热器91中使用的热交换介质需要形成液膜。因此，热交换介质优选具有与结构(尤其，集热元件93的光接收面92)的良好浸润性。而且，光接收面92可以被处理成形或可以具有与热交换介质有良好亲和性的结构。
作为液膜沿着光接收面92靠重力向下流动的热交换介质的液膜的厚度，优选约为1-7mm，以确保适当的流率并防止液膜从光接收面92分离。
而且，热交换介质优选包括吸热剂以提高来自阳光SB的热能的吸收系数。例如，吸热剂包括少量硝酸钴和硝酸镍等有色金属盐。例如，按照5％，将重量比为1∶1的Fe(NO3)39H2O和CoCl26H2O混合物添加到KNO3和NaNO3混合熔盐，以使该混合熔盐变黑。图11和12分别示出在使用添加这些金属盐变黑的KNO3和NaNO3混合熔盐作为热交换介质的情况下和在使用由KNO3和NaNO3混合熔盐组成的透明热交换介质的情况下，集热元件93的里面和外面的温度分布的计算结果。如图11所示，在作为液膜沿着集热元件93的光接收面92的表面靠重力向下流动的热交换介质为黑色的情况下，热交换介质的液膜表面的温度变得最高。集热元件的温度低于假定为600℃的热交换介质的最高温度。另一方面，在使用透明热交换介质的情况下(图12)，阳光SB穿过热交换介质到达光接收面92，在光接收面92，大部分阳光SB被吸收并被转化成热。通过来自光接收面92的对流传热，加热热交换介质。此时，热交换介质的最高温度等于光接收面92的温度。
因此，考虑到这样的温度分布，可以根据需要确定集热元件93的形状、液膜的流速、热交换介质的流率、以及液膜的厚度等。
在太阳集热器91中，可以给阳光进口95配置由石英或蓝宝石制成的玻璃窗。该窗防止空气中的灰尘和沙粒等进入集热器91，并防止它们与热交换介质混合。在太阳集热器91中，热交换介质通过热交换介质进口95被导入，作为液膜沿着光接收面靠重力向下流动，并被经阳光进口94导入的阳光SB加热。加热后的热交换介质通过热交换介质出口96送出，并被提供作为发电系统和化学反应处理等各种系统和处理的热源。
在第三实施例的太阳集热器91中，热交换介质作为液膜沿着集热元件93的光接收面92，从上部的热交换介质进口95靠重力向下流动。因此，热交换介质被直接加热，从而可以增加光接收面92上单位面积可允许的热负荷。因此，可以进一步缩小集热元件93的尺寸。而且，根据太阳辐射量控制热交换介质的流率，从而在任何时间都可以获得恒定温度的热交换介质。
第四实施例
接着，图13是示出根据第四实施例的太阳能利用系统的例子的示意图，其使用根据本发明第三实施例的太阳集热器91。
图13中所示的太阳能利用系统包括第一聚光系统FC、第二聚光系统SC、第三聚光系统CPC、太阳集热器91、高温热交换介质槽81、热交换器82、低温热交换介质槽83、热交换介质净化系统84。而且，太阳集热器91、高温热交换介质槽81、热交换器82、低温热交换介质槽83和热交换介质净化系统84通过流路相互连接，其中，热交换介质通过流路循环。另外，在某些地方配置阀门和泵等。
作为太阳集热器91，使用与根据第三实施例的太阳集热器相似的太阳集热器。
而且，高温热交换介质槽81、热交换器82、低温热交换介质槽83和热交换介质净化系统84没有特别限制，并且可以根据所使用的热交换介质、容量、以及热交换介质的纯度需求，按照需要选择它们。
在该太阳能利用系统中，通过包括反射器的第一聚光系统FC和第二聚光系统SC等，聚集来自太阳S的阳光SB。所聚集的阳光SB通过太阳集热器91上方的第三聚集系统CPC被进一步聚集，并通过太阳集热器91的阳光进口94被导入。所导入的阳光SB照射太阳集热器91的光接收面92。因此，作为液膜沿着光接收面92从热交换介质进口95靠重力向下流动的热交换介质被加热。然后，存储热能的加热后的热交换介质通过集热元件93的下部的热交换介质出口96(参照图9)送出。通过热交换介质出口96送出的热交换介质，通过流路被送到高温热交换介质槽81。然后，发送到高温热交换介质槽81的热交换介质被提供到热交换器82以将热能提供给与热交换器82连接的热利用设施。例如，热利用设施进行蒸汽轮机发电、碳氢化合物的高温分解、或者从天然气和煤炭生产液体燃料等。
通过热交换器82交换了一部分热交换介质的热能从而降低了热交换介质的温度。然后，发送热交换介质并将其临时存储在低温热交换介质槽83中。并且，通过热交换介质净化系统84净化临时存储在低温热交换介质槽83中的低温热交换介质，并再次将其提供到太阳集热器91的热交换介质进口95。在集热元件93的光接收面92上与外界空气的接触，可能导致循环中的热交换介质腐蚀和降解。另外，集热元件93也可能腐蚀和降解。腐蚀和降解的热交换介质和集热元件93的腐蚀和降解阻塞了热交换介质循环管7等。因此，热交换介质净化系统84净化热交换介质以清除热交换介质中的腐蚀产物，从而可以使太阳集热器91长期稳定运行。而且，当不需要净化热交换介质时，可以不通过热交换介质净化系统84，而是通过热交换介质净化系统84中的旁路，在不被净化的情况下，将热交换介质提供给太阳集热器1。
而且，高温热交换介质槽81存储热交换介质，并根据热利用设施中所需的热能将热交换介质提供给热交换器82。例如，在热利用设施为发电站的情况下，可以根据待生成的电量变化控制提供热交换介质。
在图13中所示的太阳能利用系统中，在太阳集热器91被置于地面的情况下，首先，可以将热交换介质提供给第三聚光系统CPC的内表面以作为液膜靠重力向下流动。然后，将热交换介质引导到置于CPC下方的太阳集热器91。结果，热交换介质所聚集的热减少了在CPC中的热辐射损失，同时清洁热交换介质防止了灰尘粘附到镜面上导致的脏污，从而可以提高反射效率。
而且，当CPC中集热率高时，可以使用CPC本身作为太阳集热器，从而可以省略太阳集热器91。
在该太阳能利用系统中，可以使用高温热交换介质槽81、低温热交换介质槽83、热交换介质净化系统84、以及某些地方的阀门和泵等，控制太阳集热器91中提供到热交换介质进口95的热交换介质的流率。因此，可以控制作为液膜沿着光接收面92靠重力向下流动的热交换介质的流率。例如，测量通过热交换介质出口96送出的高温热交换介质的温度和提供到热交换介质进口95的低温热交换介质的温度。然后，基于温度的测量结果控制待提供的热交换介质的量，从而扩展了再循环流率的可调范围，并且提高了运行效率。而且，可以根据热利用设施所需热能的量，增加或减少作为液膜沿着光接收面92靠重力向下流动的热交换介质的流率。而且，可以在任何时间，根据太阳辐射量控制热交换介质的循环流率，从而可以获得恒定温度的热交换介质，并将其提供给热设施。
第五实施例
接着，根据需要参照附图详细说明本发明的第五实施例。图14是示出根据本发明第五实施例的阳光聚集反射器的结构的示意图。
图14示出反射器组11，其包括：阳光聚集反射器；日光反射装置(一次反射器)12，用以将阳光聚集到反射器组11；以及反射器组11会聚的阳光的聚光面(集热器)13。这里，在图14中，仅代表性地示出了日光反射装置12。然而，与图33中所示的阳光聚集系统相似，可以围绕位于中心的集热器配置多个日光反射装置12。而且，每个日光反射装置反射阳光，并将反射的阳光聚集在聚光点F1。
反射器组11包括一次反射器块21、以及配置在一次反射器块21下面的第二反射器块22、第三反射器块23、第四反射器块24、第五反射器块25和第六反射器块26的五个反射器块。
一次反射器块21具有反射面21a，反射面21a包括第一旋转二次曲面HB1的一部分，HB1的焦点(上焦点)位于由多个日光反射装置12所会聚的阳光的聚光点F1处。
可以以中心线CL为中心的从第一旋转二次曲面HB1切取的圆盘形状或从该圆盘切去的部分的形状，形成一次反射器块21的反射面21a。另外，可以以环状形成形成一次反射器块21，其中，包括中心线CL的区域是开放的。例如，可以以圆环形状或者从圆环切取的一部分的弧形形状，形成一次反射器块21。
而且，第二反射器块22、第三反射器块23、第四反射器块24、第五反射器块25和第六反射器块26分别具有沿着旋转二次曲面HB2、HB3、HB4、HB5和HB6放置的反射面22a、23a、24a、25a和26a，每个旋转二次曲面具有与第一旋转二次曲面HB1相同的聚光点F1处的焦点，即，在共焦点，而它们的曲率半径相互不同。
而且，在从聚光点F1到聚光面13的方向上配置的反射器块中，反射器块距离聚光面13越近，旋转二次曲面HB1、HB2、HB3、HB4、HB5或HB6的曲率半径越大。换句话说，例如，反射器组包括数量n(n是大于或等于2的整数)个沿着从聚光点到集热器的方向上配置的反射器块。在这种情况下，距离聚光点F1第k近的反射器块Sk的反射面所在的旋转二次曲面的曲率半径Rk(k是整数且1＜k≤n-1)和第k+1近的反射器块Sk+1的反射面所在的旋转二次曲面的曲率半径Rk+1之间具有关系Rk＜Rk+1。
而且，在第二反射器块22、第三反射器块23、第四反射器块24、第五反射器块25和第六反射器块26中，可以以圆环形状或从圆形切取的一部分的形状，形成反射面22a、23a、24a、25a和26a，其中，该圆形环以中心线CL作为中心轴，而中心线CL连接聚光点F1与集热器的聚光面13的中心。例如，可以以圆环形状或从圆环切取的一部分的弧形形状，形成反射面。
而且，可以通过旋转二次曲面HB1、HB2、HB3、HB3、HB4、HB5和HB6的一部分或者通过旋转二次曲面HB1、HB2、HB3、HB3、HB4、HB5和HB6的切面的一部分分别形成一次反射器块21到第六反射器块26的反射面21a、22a、23a、24a、25a和26a。这里，如图15所示，通常，由于太阳的位角(30分)所导致，会聚在聚光面3上的阳光一定程度地发散。因此，尤其，可以通过旋转二次曲面(HB2、HB3、HB4、HB5和HB6)的切面分别形成除一次反射器块21以外的反射器块的反射面(22a、23a、24a、25a和26a)。这样，可以减少由于太阳的位角(30分)和以平面形成的日光反射装置12所导致的聚光面13上的光发散，从而可以缩小集热器的光接收部分的尺寸。另外，具有这样的优点：一次反射器块21、第二反射器块22、第三反射器块23、第四反射器块24、第五反射器块25和第六反射器块26中每个块的优化配置使聚集的光热通量在聚光面13上的分布相等。而且，可以由围绕中心线CL的线段的旋转形成的曲面，形成反射面21a、22a、23a、24a、25a和26a。该线段可以关于旋转二次曲面HB1、HB2、HB3、HB4、HB5和HB6的切线，以预定角度倾斜，或在法线方向上平行移动预定距离。结果，可以进一步减少聚光面13上的光散射。例如，可以由以下曲面形成反射面21a、22a、23a、24a、25a和26a，这些曲面分别由线段旋转形成，这些线段围绕中心线CL关于切线倾斜约0～+30分(沿着中心线CL向上倾斜约0-+30分)或优选约+15分。因此，可以减少聚光面13上的光散射。例如，根据具有图24和25所示的结构的反射器组，可以将聚光面上的光散射减少一半。
而且，可以在旋转二次曲面HB1、HB2、HB3、HB4、HB5和HB6中的每一个上配置多个反射器单元，并且这些反射器单元分别形成反射面21a、22a、23a、24a、25a和26a中的每一个。因此，总体上，反射面21a、22a、23a、24a、25a和26a中的每一个可以包括一组多个反射器单元。因此，每个反射器块可以包括该组反射器单元，从而可以任意调整一次反射器块21到第六反射器块26中每一个的形状和形式。另外，可以简化每个反射器块的抗风设计和支持结构。
在反射器组11中所包括的每个反射器块中，可以根据多个日光反射装置12的配置位置和配置面积、聚光点F1的位置、以及聚光面13的位置和配置方向等，按照需要选择一次反射器块21到第六反射器块26中的每一个的配置位置、形式、倾斜度、以及曲率半径等。例如，当多个日光反射装置12围绕集热器并以扇形配置时，可以根据待聚集阳光的光路，以扇形形成包括在反射器组中的反射器块。因此，可以通过反射器块反射由日光反射装置12聚集的阳光，以会聚在集热器的聚光面13上。而且，当沿着斜面配置多个日光反射装置12时，从每个日光反射装置12聚集的阳光的聚光点F1根据该斜面的倾斜角定位在预定位置。然而，可以考虑聚光点F1的位置和聚光面13的位置根据需要选择反射器组11中所包括的每个反射器块的方向和配置位置等，以使阳光会聚在聚光面13上。而且，当集热器的聚光面根据太阳能利用系统中的集热器的安装地点和集热器的安装状态等关于垂直方向倾斜预定角度时，调整反射器组中所包括的每个反射器块的方向和配置位置。另外，调整由日光反射装置12所聚集的阳光的聚光点F1。因此，可以使阳光会聚在聚光面13上。
在该阳光聚集反射器中，一次反射器块21到第六反射器块使日光反射装置12上反射的阳光在无泄露的情况下会聚到聚光面13，因而聚光效率变高。而且，在一次反射器块21与第二反射器块22之间、第二反射器块22与第三反射器块23之间、第三反射器块23与第四反射器块24之间、第四反射器块24与第五反射器块25之间、以及第五反射器块25与第六反射器块26之间，形成风通过的空间。另外，每个反射器可以是小的。因而，每个反射器接收的风压变小，因而抗风设计变得简单。而且，可以简化每个反射器的支持结构，因而与仅由一个沿着旋转双曲面的曲面形成反射器的情况相比，建造成本减少了50％。而且，集热器中光接收面的发散降低，从而可将太阳能聚集到小于传统集热器的集热器。另外，在光接收面上的入射光热通量被控制成以相等的热通量使能量平稳。
在第五实施例中，说明了配置六个反射器块(一次反射器块21～第六反射器块26)的例子。然而，在根据本发明的阳光聚集反射器中，优选配置多个反射器决，而不限制在一次反射器块21与集热器的聚光面13之间配置的反射器块的数量。结果，具有这样的优点：可以减少每个反射器块的尺寸和重量和聚光面13上的光散射等。所安装的反射器块的数量不局限于本实施例中的数量。根据所安装的日光反射装置12的数量、置于最高处的一次反射器块21的高度、以及聚光面13上光散射的许可值等，按照需要确定待配置的反射器块的所需数量。例如，当一次反射器块21位于高处时，形成位于最外周的反射器块(位于沿着中心线CL最低位置中的反射器块)的圆环的半径变小。因此，所需反射器块的数量小。
而且，在根据本发明的阳光聚集反射器中，在由多个日光反射装置(一次反射器)12聚集到聚光点F1的阳光的光路上相互不重叠的情况下，配置一次反射器块21、以及第二反射器块22到第六反射器块26。为了该目的，考虑从日光反射装置12聚集到每个反射器块的反射面并且被该反射器块的外边缘所反射的阳光的光路。因此，确定第二反射器块22到第六反射器块26的尺寸、形状、旋转二次曲面的曲率半径、以及配置位置等，使得被每个反射器块反射的阳光的光路不与被反射器块的其余部分反射的阳光的光路相交。
在第五实施例中，说明了沿着旋转二次曲面配置反射器块的反射面的例子。然而，本发明中所使用的反射器块的反射面没有特别限制，并且可以沿着任何类型的曲面配置，只要该曲面可以反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使反射的阳光会聚在聚光面上。而且，从作为本实施例中所述旋转二次曲面的旋转双曲面和旋转椭圆面中选择至少一种曲面作为用于配置反射面的曲面的具体例子。可以沿着旋转双曲面或旋转椭圆面配置反射器块的所有反射面。同时，可以沿着旋转双曲面配置一部分反射面，而沿着旋转椭圆面配置剩余的反射面。而且，当每个反射器块包括一组多个反射器单元时，可以沿着从旋转双曲面和旋转椭圆面中选择的至少一种曲面配置该组中所包括的反射器单元。另外，包括沿着旋转双曲面配置反射面的反射器块的反射器组的特征在于：从每个日光反射装置到聚光点(旋转双曲面的上焦点)的光路以及从聚光点到聚光面的光路比较短。该特征优选用于在广阔范围上配置多个日光反射装置并且将反射器组置于高处的大型太阳能利用系统。而且，包括沿着旋转椭圆面配置反射面的反射器块的反射器组的特征在于：从每个日光反射装置到聚光点(旋转椭圆面的上焦点)的光路以及从聚光点到聚光面(旋转椭圆面的下焦点)的光路相对较长。该特征优选用于将反射器组置于低处的小型太阳能利用系统。
第六实施例
接着，图16是示出根据第六实施例的太阳能利用系统的例子的示意图，其使用根据本发明第五实施例的阳光聚集反射器。
图16中所示的太阳能利用系统包括日光反射装置(第一聚光系统)FC、第二聚光系统SC、第三聚光系统(CPC)57、太阳集热器51、高温热交换介质槽52、热交换器53、低温热交换介质槽54、以及热交换介质净化系统55。而且，太阳集热器51、高温热交换介质槽52、热交换器53、低温热交换介质槽54、以及热交换介质净化系统55通过循环热交换介质的流路相互连接。另外，在某些地方配置阀门和泵等。
在该太阳能利用系统中，第二聚光系统SC包括根据本发明的阳光聚集反射器，该阳光聚集反射器包括反射器组，该反射器组包括多个反射器块。
在图16中所示的太阳能利用系统中，在太阳集热器51上方可以包括朝向反射器组开放的第三聚光系统(CPC)57。然而，在太阳集热器51上方不是必须包括第三聚光系统(CPC)57。
而且，在太阳集热器51中，优选地，阳光通过向上开放的开口照射光接收面的内表面。
在太阳集热器51中，由日光反射装置FC聚集阳光，并由第二聚光系统SC(本发明的阳光聚集反射器)反射阳光，以使阳光会聚在聚光面3上。因此，在太阳集热器51中，当包括第三聚光系统(CPC)57时，聚光面3优选位于第三聚光系统(CPC)57的开口处。同时，当不包括第三聚光系统(CPC)57时，聚光面3优选位于太阳集热器51的开口处。
而且，高温热交换介质槽52、热交换器53、低温热交换介质槽54、以及热交换介质净化系统55没有特别限制，并可以根据所使用的热交换介质、容量、以及热交换介质的纯度需求等，按照需要选择它们。
在该太阳能利用系统中，来自太阳S的阳光SB被第一聚光系统FC聚集到作为第二聚光系统的阳光聚集反射器SC。通过阳光聚集反射器SC进一步将聚集的阳光SB聚集到太阳集热器51，并通过太阳集热器51的阳光进口56导入。导入的阳光SB照射太阳集热器51的光接收面。这样，位于光接收面上的热交换介质被加热。然后，通过位于集热元件51下部的热交换介质出口将存储了热能的加热后的热交换介质送出。将通过热交换介质出口送出的热交换介质通过流路发送到高温热交换介质槽52。然后，将发送到高温热交换介质槽52的热交换介质提供给热交换器53，以向与热交换器53连接的热利用设施提供热能。例如，热利用设施进行蒸汽轮机发电、碳氢化合物的高温分解、或从天然气和煤炭生产液体燃料等。
通过热交换器53交换了热交换介质的一部分热能，从而降低了热交换介质的温度。然后，热交换介质被发送到低温热交换介质槽54并临时存储在低温热交换介质槽54中。并且，通过热交换介质净化系统55净化临时存储在低温热交换介质槽54中的低温热交换介质，并再次将其提供给太阳集热器51。
而且，在将通过本发明的阳光聚集反射器获得的阳光的热能用于重整反应器的情况下，具体地说，在将该热能应用于通过甲烷CH4与水H2O的反应生产合成气(CO和H2)的处理的情况下，将重整反应器置于与太阳集热器51相同的位置处。在这种情况下，当可以将光接收面上的入射光的热通量控制成以相等的热通量使能量均衡时，对于在重整反应器中的使用，该热能是有效的。
第七实施例
接着，将根据需要参考附图详细说明本发明的第七实施例。在以下的第七实施例中，将说明在北半球安装利用塔方法的聚光系统的情况。在该聚光系统中，集热器被置于聚光点处。在该阳光聚集系统被安装在南半球的情况下，下述第七实施例中的第一日光反射装置和第二日光反射装置在南北方向上被相反配置。而且，在光束向下聚光系统中，聚光反射器被置于聚光点附近。然后，聚光反射器将阳光向下反射到地面，并将反射的阳光聚集到地面附近的集热器。此外，光束向下聚光系统具有与以下第七实施例相同的结构，因而不再对其进行说明。
图17是示出根据本发明第七实施例的阳光聚集系统的示意图。
阳光聚集系统31包括日光反射装置组A和日光反射装置组B。
日光反射装置组A包括将阳光SB聚集到聚光点Fa的多个第一日光反射装置32。而且，日光反射装置B包括将阳光SB聚集到聚光点Fb的多个第二日光反射装置33，其中，聚光点Fb位于聚光点Fa的北侧。第一日光反射装置32和第二日光反射装置33被配置成使得日光反射装置组A中所包括的多个第一日光反射装置32的反射光B2的光路与日光反射装置组B中所包括的多个第二日光反射装置33的反射光B3的光路分别朝向第一和第二日光反射装置所属的日光反射装置组的聚光点Fa和Fb。
在地面上固定配置第一日光反射装置32，使得图18(a)中所示的反射面2a朝向太阳和聚光点Fa。换句话说，在第一日光反射装置2中，调整反射面2a的方向以使入射阳光与到达聚光点Fa的反射光关于反射面2a的法线对称。
例如，如图18(a)中所示，第一日光反射装置32包括：反射面32a、在一侧上具有反射面32a的框架32b、竖立在地面上以支持框架32b的支柱32c。例如，可以在由玻璃或透明塑料等制成的透明衬底的一侧上蒸镀金属以形成反射膜。因此，可以通过包括反射膜的反射元件形成反射面32a以具有所需的形状和面积。
在第一日光反射装置32中，反射面32a可以根据太阳仰角在每天中的变化和季节性的变化跟随太阳，从而使反射面32a朝向太阳和聚光点Fa。例如，由支柱32c支持的横跨框架32b的支持轴32d可以在轴向上以及与该轴向垂直的方向上自由转动。而且，第一日光反射装置32可以包括伴随反射面32a的太阳能电池。因此，太阳能电池可以提供电力以转动框架32b，使反射面跟随太阳。
第二日光反射装置33被配置成使反射面33a朝向太阳和聚光点Fb。换句话说，在第二日光反射装置33中，调整反射面33a的方向，以使入射阳光SB与到达聚光点Fb的反射光RB3关于反射面33a的法线对称。
如图18(b)中所示，第二日光反射装置33包括：反射面33a；转轴33b，反射面33a通过转轴33b枢转；转轴33b横跨的支持框架33c；使支持框架33c枢转的转动支柱33d；以及支持转动支柱33d的基座33e。
在第二日光反射装置33中，为了在垂直方向上调整反射面33a的角度β，围绕作为中心轴的转轴33b转动反射面33d。而且，为了在水平方向上调整反射面33a的角度α，转动转动支柱33d。可以由该图中未示出的驱动马达等来驱动转轴33b和转动支柱33d。
在基座33e的下部，第二日光反射装置33可以包括移动轮等行驶驱动装置。因此，第二日光反射装置33本身可以利用行驶驱动装置自动移动到所要求的位置。因此，第二日光反射装置可以根据太阳仰角在每天中的变化和季节性的变化自动移动到避开由第一日光反射装置32造成的阴影的位置。另外，通过转轴33b和转动支柱33d调整反射面33a的角度α和角度β，从而可以反射阳光，并将阳光聚集到聚光点Fb。第二日光反射装置33还可以包括与第一日光反射装置32相似的太阳能电池。因而，太阳能电池可以提供电力以驱动转轴33b、转动支柱33d和行驶驱动装置。
在未放置第一日光反射装置32且阳光照射到地面的地方配置第二日光反射装置33。因此，第二日光反射装置可以消除日光反射装置组A中所包括的多个第一日光反射装置32之间阳光照射到地面的地方，也就是说消除遮挡。因此，在第一日光反射装置32之间配置第二日光反射装置33。因而不再有由于遮挡而未使用的阳光照射到地面的区域。从而，几乎所有照射到配置了日光反射装置的区域的阳光都被聚集到多个聚光点，从而可以回收所聚集的阳光的能量。结果，对于照射到配置了日光反射装置的区域的阳光的总光量，可以作为能量使用的阳光的光量的比率即场地效率几乎为100％。
而且，与第一日光反射装置32相比，第二日光反射装置33配置在更接近地面处。这里，第二日光反射装置33配置在与第一日光反射装置32相比距离地面更近的位置意味着：与第一日光反射装置32的反射面相比，第二日光反射装置33的反射面33a安装在更低位置且距离地面更近。因此，第二日光反射装置33可以密集配置在由于遮挡而未使用的阳光照射到地面的区域中。因此，不再有由于遮挡而未使用的阳光照射到地面的区域。因而，几乎可以将所有照射到配置了日光反射装置的区域的阳光聚集到多个聚光点。结果，可以提高整个聚光系统的聚光效率。
如图18(c)所示，在阳光照射到地面的地方连续地平行配置多个日光反射装置33，以覆盖这些地方。在每个第二日光反射装置33中，可以根据太阳仰角的变化，在垂直和水平方向上调整反射面33a的角度α和角度β。另外，第二日光反射装置33可以使用基座33e下部的行驶驱动装置移动，以避开第一日光反射装置32和邻近的第二日光反射装置33的阴影。因而，为了根据白天和季节中的时间跟随太阳，第二日光反射装置33可以改变位置，并移动第二日光反射装置33本身的反射面33a，以接收最大阳光。因此，第二日光反射装置可以移动到由第一日光反射装置形成的阴影的位置，并且随着太阳仰角在一天中及季节性的变化而随时改变。结果，可以提高聚光效率。图19示出模拟第一日光反射装置32的阴影随时间的变化和第二日光反射装置33移动到避开第一日光反射装置的阴影的位置时第二日光反射装置33的移动的结果，其中，所述阴影位置随着太阳仰角在一天中及季节性的变化而随时改变。因而，第二日光反射装置33可以移动以避开第一日光反射装置32的阴影，从而聚集阳光。因此，第二日光反射装置有效地提高了聚光效率。
这里，将讨论具有图17中所示的两个聚光点Fa和Fb的阳光聚集系统1中的第二日光反射装置33的配置。
图20示出从太阳S到塔T(右边的三角柱)的入射光和反射光之间的关系、以及由第一日光反射装置32导致的阴影和反射光的干扰(遮挡)的概念。在图20中，为了简单，假定通过反射镜形成每个日光反射装置。在图20中，单位矢量e1、e2和n分别为太阳方向矢量、塔方向矢量和日光反射装置的向外法向矢量。通过使用这些矢量和日光反射装置的边长进行计算，可以获得阴影的长度(阴影长度)和遮挡的长度(遮挡长度)。这里，遮挡长度是两个以下述情况配置的第一日光反射装置之间的距离：在向塔T行进途中，距离塔较远的第一日光反射装置32的下端反射的光通过距离塔较近的第一日光反射装置32的上端。当以该距离相互分开地配置两个日光反射装置时，不会发生由遮挡导致的光干扰。
图21示出在一个塔的情况下日光反射装置的位置和阴影长度、遮挡长度、以及日光反射装置每场地单位面积可以聚集的光量之间的关系。座标轴(y)在假定正方向为南的南北方向上，原点在塔T处。假定太阳达到顶点。在图21中，塔的高度H(聚光点的高度)为120m，并且太阳仰角为45度。
如图21中所示，在围绕塔T的范围中，即，在满足以下表达式的范围中，阴影长度(在该图中用短划线表示)长于遮挡长度(在该图中用长短交替的虚线表示)。
[表达式1]
|y|＜L＝Hcot
另一方面，在该范围外的区域中，即，在满足以下表达式的范围中，阴影长度短于或等于遮挡长度。
[表达式2]
|y|≥L＝Hcot
考虑到以上情况，在以下表达式所表示的范围中，南北方向上邻近的日光反射装置需要以长于阴影长度的距离相互分开地配置，以避免日光反射装置之间的光干扰，从而提高镜面效率。另一方面，在该范围外的区域中，邻近的日光反射装置需要以长于遮挡长度的距离相互分开地配置。
[表达式3]
|y|＜Hcot
而且，在整个场地中，在以下表达式所表示的区域中，光干扰的距离最小。另一方面，在该范围外的区域中，遮挡长度根据日光反射装置的位置变化很大。
[表达式4]
-Hcot＜y＜2Hcot
如图18(c)所示，这些特征表示：有效配置第二日光反射装置33以覆盖由以下表达式所表示的区域，其中，第二日光反射装置33包括由以预定间隔配置的条状反射镜(Fazet 33f)形成的镜面33a。
[表达式5]
|y|＜Hcot
同时，在以下表达式所表示的区域中，遮挡长度长，且根据位置变化很大。因此，不适合在该区域中配置第二日光反射装置33，但是这里有利于配置第一日光反射装置32。
[表达式6]
y≤-Hcot
考虑到上述具有一个塔的聚光系统，在具有多个塔的聚光系统中，优选地按如下所述配置第二日光反射装置。更具体地，在将光聚集到第一个塔的第一日光反射装置32之间配置用于第二个塔的第二日光反射装置33。换句话说，在阴影长度长于遮挡长度的塔的周围，插入第二日光反射装置33是有利的。
返回到图17，假定座标轴(y)的原点位于第一个塔处，并且L是该塔的阴影长度。
在以下表达式所表示的区域中，配置第二日光反射装置33。
[表达式7]
-L＜y＜L’
在以下表达式所表示的区域中，首先，以遮挡长度相互分开地配置第一日光反射装置。接着，考虑到光干扰，在第一日光反射装置32之间插入将光聚集到第二个塔的第二日光反射装置33。
[表达式8]
-4L＜y＜-L
在以下表达式所表示的区域中，配置将光聚集到第二个塔的第二日光反射装置33。
[表达式9]
-4L-L’＜y＜-L
考虑到日光反射装置的数量(成本)和所聚集的光量，为第一个塔与第二个塔之间的距离4L和每个塔与北或南端之间的距离L’，即，两个塔的座标，选择最佳值。
在图17中所示的聚光系统中，由以下表达式表示可以在第一日光反射装置32之间配置的第二日光反射装置的数量。
[表达式10]
N n = N s B L s - S L s Max ( S L n , B L n )
这里，N是每场地单位长度的日光反射装置的数量，BL是遮挡长度，而SL为阴影长度。另外，脚标n和脚标s分别表示第二日光反射装置(将光聚集到第二个塔(北侧))和第一日光反射装置(将光聚集到第一个塔)。
第八实施例
接着，图22(a)和22(b)是示出根据本发明第八实施例的阳光聚集系统中日光反射装置组A和日光反射装置组B的配置的图。
如图22(a)中所示，在该聚光系统中，每个聚光系统包括日光反射装置组A和日光反射装置组B，它们被配置成使得在南北方向上形成和配置多个聚光点F1、F2、F3……和FN。在东西方向上以适当间隔配置多行聚光系统。
如图22(b)中所示，在该阳光聚集系统中，日光反射装置组Bh1(h1是大于或等于1的整数)和下一个日光反射装置组Ak1(k1是大于或等于2的整数)形成一个聚光点。因而，可以以几乎相等的间隔在南北方向上连续形成所需数量的聚光点，从而在一个聚光点Fa的北侧形成另一个聚光点Fb。因此，即使在狭长的区域中也可以有效聚集所需量的阳光，而与配置日光反射装置的区域的面积无关。
在该聚光系统中，可以提高近似圆形或正方形形状的场地中聚光的效率。而且，可以配置日光反射装置组，使得形成多个聚光点，使每一行交错以减少阴影的影响。
第九实施例
图23(a)和23(b)是示出根据本发明第九实施例的阳光聚集系统中聚光点和日光反射装置组的配置的图。如图23(a)中所示，该阳光聚集系统包括单元41，单元41包括域A1、A2、A3和A4(场地)，其中区域A2和A3(场地)配置有包括第一日光反射装置的日光反射装置组，区域A1和A4(场地)混合配置有第一日光反射装置和第二日光反射装置。另外，由单元41中所包括的日光反射装置组形成位于三角形D的顶点处的三个聚光点F1、F2和F3。三角形D的底边是连接聚光点F2和聚光点F3的线，并且指向东西方向。而且，聚光点F1位于三角形D的顶点。由于聚光效率的轮廓线形成为近似于在南北方向上伸长的椭圆形形状，因而三角形D为底边指向东西方向的等腰三角形对于提高聚光效率是有效的。
在该聚光系统中，配置第一日光反射装置以选择聚光点，使得最大化所聚集的光的量。然后，在发生遮挡的区域中配置第二日光反射装置。因而，可以将光聚集到该日光反射装置北侧使聚集的光的量最大化的聚光点。结果，第二日光反射装置可以根据阳光照射角度在一天中的变化和季节性得变化在任何时间形成最佳聚光点。因此，与固定日光反射装置的聚光系统相比，可以最大化一年中所聚集的光的量。
此外，如图23(b)所示，可以在东西方向和南北方向上，将每个形成三个聚光点F1、F2和F3的各单元配置在三角形格中。因而，可以建造大型聚光系统。在图23(b)中所示的阳光聚集系统中，由于在东西方向和南北方向上将这些单元配置在三角形格中，  因而可以提高近似圆形或正方形形状的场地中的聚光效率。而且，当每一行交错地配置塔时，可以减少阴影的影响。在这样的结构中，可以根据安装第一日光反射装置、第二日光反射装置、以及集热器或聚光反射器的地方的面积、倾斜度和形状等地理条件按照需要优化该配置。因此，在建造高度灵活的和商业性大型阳光聚集系统的情况下，该结构是有效的。
上述第七实施例、第八实施例和第九实施例是第一日光反射装置和第二日光反射装置具有不同形式的例子。然而，在根据本发明的阳光聚集系统中，第一日光反射装置和第二日光反射装置可以具有相同的形式。例如，第一日光反射装置和第二日光反射装置可以具有图18(a)中所示的形式以形成日光反射装置组。换句话说，可以配置具有图18(a)中所示形式的多个日光反射装置以形成日光反射装置组A。因而，首先，将阳光聚集到聚光点Fa。然后，另一日光反射装置组B可以包括具有图18(a)中所示形式的其它多个日光反射装置，其每一个将反射面转向不同于上述配置的日光反射装置的方向。另一日光反射装置组B可以形成在所配置的具有图18(a)中所示形式的日光反射装置之间阳光照射到地面的地方，从而将阳光聚集到另一聚光点Fb。由此，可以形成该聚光系统。同样地，可以使用具有图18(b)中所示形式的日光反射装置作为第一日光反射装置和第二日光反射装置以形成多个日光反射装置组。
在上述本发明的阳光聚集系统中，可以将集热器或聚光反射器置于由该阳光聚集系统中的多个日光反射装置组形成的每个聚光点处。然后，可以通过该集热器或聚光反射器下的集热器回收所聚集的阳光的能量。因此，可以以高的场地效率聚集照射到安装了日光反射装置的区域的阳光，并且高效使用所聚集的阳光的热能。例如，可以建造包括阳光聚集系统、太阳集热器、高温热交换介质槽、热交换器、低温热交换介质槽、热交换器、低温热交换介质槽、以及热热交换介质净化系统的太阳能利用系统。然后，可以使用根据本发明的阳光聚集系统作为该阳光聚集系统。
在该太阳能利用系统中，通过阳光聚集系统聚集阳光，并通过太阳集热器进一步回收所聚集的阳光使得该阳光的能量被聚集。阳光的能量加热太阳集热器中的热交换介质，并将阳光的能量聚集到存储热能的加热后的热交换介质中。然后，将热交换介质提供给热交换器，并将热能提供给与热交换器连接的热利用设施。例如，热利用设施进行蒸汽轮机发电、碳氢化合物的高温分解、或从天然气和煤炭生产液体燃料等。
对于根据本发明的太阳能利用系统，可以具有各种形式的实施例。例如，可以使用根据第一或第三实施例的太阳集热器作为太阳集热器。因此，第一或第三实施例的太阳集热器被用作集热器以高效聚集由日光反射装置组以高场地效率聚集的阳光的能量。结果，可以高效使用阳光的热能。
而且，第五实施例中的阳光聚集反射器可被用作该太阳能利用系统中的阳光聚集反射器。结果，通过包括多个一次反射器的多个日光反射装置组以高场地效率聚集阳光。然后，阳光聚集反射器使所聚集的阳光有效会聚在集热器上，从而可以高效使用阳光的热能。
而且，在该太阳能利用系统中，可以使用根据第一或第三实施例的太阳集热器作为太阳集热器，并且可以使用根据第五实施例的阳光聚集反射器作为阳光聚集反射器。因而，可以将多个一次反射器反射到聚光点的阳光通过阳光聚集反射器有效聚集到集热器。另外，根据本发明的第一方面A，所聚集的阳光可以会聚在太阳集热器上。因此，将会聚的阳光的能量高效存储在热交换介质中，并且可以使用所存储的热能。
而且，在该太阳能利用系统中，使用蒸汽轮机的Rankin循环类型系统、使用燃气轮机的开式Brayton循环系统等任何形式的系统均可适用于使用太阳能的发电系统。可以根据太阳能利用系统的整体结构、使用太阳能的目的和地理条件等各种条件，按照需要选择发电系统。例如，在主要目的是发电的系统中，可以使用通过太阳集热器存储在热交换介质中的所有阳光的热能作为能量来驱动发电器。而且，在组合了发电系统和至少一个其它系统例如化学设备的多系统的情况中，考虑到如何使用能量、以及热交换介质的温度等，可以在发电系统和其它系统之间分配阳光的能量，从而可以高效使用阳光的热能。
接着，将说明使用太阳能的发电系统作为太阳能利用的具体例子。
图24示出开式Brayton循环发电系统(太阳燃气轮机系统)的具体例子，该系统使用太阳能作为包括燃气轮机的发电站的热能源(Sinai，J.et al.，”Adaptation and modification of gasturbines for solar energy applications”，GT 2005-68122，proc.ASME Turbo Expo 2005，2005)。当可以将作为工作介质的空气加热到足够高的温度时，与使用蒸汽轮机作为工作介质的Rankine循环系统相比，该太阳燃气轮机系统可以获得较高的发电效率。
图24中所示的太阳燃气轮机系统70包括吸入和压缩外界空气的压缩器71、以及进行膨胀功的轮机72和发电器73。而且，通过配置在地面上的多个反射器(日光反射装置：未示出)反射阳光，并将阳光聚集到塔的上部的光感受器74(接收器)。所聚集的阳光的热直接加热从压缩器71提供给光感受器74的高压空气，以生成高温高压空气。所生成的高温高压空气被导入轮机72，并进行膨胀功，从而通过直接与轮机72的轴连接的发电器73发电。
在太阳燃气轮机系统70中，轮机72中高温高压空气的五分之三的膨胀功作为压缩器71的轴功率输出被消耗。因此，所产生的功率输出为：(轮机的轴功率输出)-(压缩器所需的轴功率输出)。在最简单的循环的情况下，在轮机结束膨胀功后，将来自轮机的废气散播到空气中。
在太阳燃气轮机系统70中，在轮机进口72a中，高温高压空气的温度为1000℃或更高。因此，例如，光感受器74中所包括的热交换材料优选是耐热合金。而且，通过所聚集的阳光的热直接加热轮机的工作介质(空气)以使轮机运行。因此，优选不仅在阳光照射的白天，而且甚至在夜间，也使用在白天存储在热交换介质中的阳光的热能或图24中所示的燃烧器75中的能量来加热工作介质，并将加热后的工作介质提供给轮机。这里，旁路在紧急情况下隔离该系统以停止热供应或控制燃气轮机的进口72a中的工作介质的温度。
在图25中所示的燃气轮机发电系统100中，为了在夜间切断矿物燃料的消耗，并仅利用太阳热能进行24小时发电，由阳光聚集反射器所聚集的阳光会聚在太阳集热器上。然后，将会聚的阳光的能量存储在热交换介质中作为热能。
因而，使用超临界状态的二氧化碳作为工作介质以将所存储的热能的一部分提供给燃气轮机发电站以发电。
图25中所示的燃气轮机发电系统100包括太阳集热器101、熔盐热交换器102、轮机103、以及发电器104。另外，燃气轮机发电系统100在轮机103的出口103a与熔盐热交换器102的进口102a之间还包括再生循环，该再生循环包括再生热交换器105、预冷却器106、低压压缩器107、中间冷却节器108和高压压缩器109。
在燃气轮机发电系统100中，在太阳集热器101中，使用存储在熔盐中的阳光的热能作为热源以驱动燃气轮机循环。在燃气轮机发电系统100中，通过预冷却器106将二氧化碳(工作介质)冷却到接近临界温度，然后通过低压压缩器107进行压缩。通过中间冷却器108再次将温度变高的工作介质(二氧化碳)冷却到临界温度，然后通过高压压缩器109进行压缩使工作介质处于超临界状态。其后，将从轮机103的出口103a排出的废气的废热聚集到再生热交换器105中，并升高工作介质的温度(超临界状态的二氧化碳)。因而，在熔盐热交换器102中，工作介质利用存储在太阳集热器101中的熔盐中的阳光的热能。因此，进一步升高工作介质的温度。然后，将工作介质导入轮机103以进行膨胀功，从而工作介质的温度下降。从轮机103的出口103a排出的工作介质将废气的热能转移给从再生热交换器105中的高压压缩器109的出口排出的燃气。然后，在预冷却器106中将工作介质冷却到接近临界温度，并将工作介质再次提供给低压压缩器107。通过工作介质(二氧化碳)的周期循环，阳光热能造成的工作介质的膨胀功驱动轮机以在发电器104中发电。顺便提及，本发明中的“超临界状态的二氧化碳”意为压力高于或等于临界压力(7.375MPa)状态中的二氧化碳。
在燃气轮机发电系统100中，中间冷却器108降低高压压缩器109的进口中工作介质的温度，以减少高压压缩器109中的压缩功。
而且，在再生热交换器105中，将来自轮机103的高温废气的热能收集到该循环内以节省一些所提供的热，从而提高燃气轮机循环的热效率。
因而，通过周期循环，当高压压缩器109中的压缩比小时，燃气轮机循环的热效率被最大化。因此，具有燃气轮机的耐压设计变得简单的优点。
在燃气轮机发电系统100中，将在太阳集热器101中所聚集的阳光的热能存储在热交换介质中。另外，该热能的一部分被用于通过熔盐热交换器102在燃气轮机发电系统100中发电。因此，该系统可以以恒定的输出24小时发电，而与太阳辐射量在每天中的变化无关。在这种情况下，在闭合燃气轮机循环中，使用超临界状态的二氧化碳作为工作介质，该闭合燃气轮机循环对于比蒸汽轮机更有效的燃气轮机循环是有效的，并且在工作介质可工作的温度范围(中等温度＜1000℃)内运行。
以下说明在燃气轮机循环中使用超临界状态的二氧化碳作为工作介质的原因。
通常，由以下表达式表示燃气的压缩/膨胀功。
[表达式11]
W＝∫Vdp＝∫zRTdp/p    (1)
而且，具有优点：使用如下所述的在接近临界点处二氧化碳的压缩系数z突然下降(至多为理想气体的1/5)这一特点，可以极大地减少压缩器所需功率。另外，二氧化碳的临界条件(31℃和7.4MPa)接近常温。因此，具有优点：可以在较低温度下形成与Brayton循环相比具有更高热效率的循环。
而且，当采用再生循环时，压力比Brayton循环高，但是燃气轮机循环的最大热效率向较低压力比侧迁移，因而可以设计该循环。
另外，在燃气轮机发电系统100中的工作介质的再生循环中，该循环的热效率值显著依赖于再生热交换器105的温度效率。尤其，可以实现温度效率高于或等于0.95的高循环热效率。因此，PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger，印刷电路式热交换器)类型的热交换器优选用为该再生热交换器。在PCHE中，由于经济限制在普通热交换器中约为0.85的温度效率，可以增加到0.95或更高。而且，PCHE可以是紧凑型热交换器、有效降低成本、以及高度耐压。另外，具有高传热性能和低压力损失等特征的PCHE可被用作中间热交换器108或再生热交换器105，从而以低成本实现高效传热。尤其，再生热交换器105的温度效率越高，循环热效率越高。具有95％温度效率的再生热交换器105可以超越传统太阳燃气轮机(开放式Brayton循环)。再生热交换器105的温度效率优选为98％。
可以使用轴流类型和离心类型中的任何一种作为压缩器(低压压缩器107或高压压缩器109)。然而，在轴流式压缩器中，绝热效率高，但是由于工作介质的密度高，所以对翼(wing)的压力大。因此，考虑到机械强度可能不允许轴流式压缩器。另一方面，使用二氧化碳作为工作介质的压缩器(低压压缩器107和高压压缩器109)在压缩系数小的范围中运行，因而压缩器的作功小。因此，压缩器的绝热效率仅轻微影响循环热效率。鉴于以上原因，优选使用机械强度坚固的离心式压缩器作为该压缩器。
而且，优选使用生成大量功的轴流式轮机作为轮机103。
而且，提供轮机103中的工作介质的膨胀功的一部分作为驱动燃气轮机系统的压缩器(低压压缩器107和高压压缩器109)所需的功。因此，通过从轮机103中的膨胀功WT减去压缩器(低压压缩器107和高压压缩器109)的功WC，计算出发电器104的发电功率输出Q，如下面的表达式所表达的。
[表达式12]
Q＝WT-WC    (2)
在工作介质为理想气体的情况下，WC差不多为WT的3/5。
因此，较小量的WC增加了发电功率输出Q，并提高了热效率。
这里，讨论接近临界状态的二氧化碳的物理性质。首先，图26示出二氧化碳的压缩系数z如何依赖于温度和压力。在图26中，三角形标记示出临界点。
如图26所示，存在这样的区域，在该区域中，在接近300k的常温处，压缩系数z的值小，而在接近500k处，该值渐近于理想气体的值1。因此，具有这样的趋势：在常温附近，z显著依赖于压力，而在高温处，z很小依赖于压力。顺便提及，假定压缩器(低压压缩器107和高压压缩器109)的进口中的工作介质的温度为35度(308K)，9～10MPa的压力使z值最小。因此，可以在9～10MPa的压力范围附近选择压缩器进口中的工作介质的压力。另一方面，轮机103中的膨胀功越大越好。因此，在轮机103的进口中将工作介质的温度设置成500K或更高。图26示出压缩器(低压压缩器107和高压压缩器109)和轮机103的最佳工作范围。应该理解，考虑到表达式(1)和表达式(2)，预期可以提高燃气轮机的效率。这里，使用根据再生循环的最佳压力比和压缩器(低压压缩器107和高压压缩器109)的进口中的工作介质的压力逆向算出的值作为轮机103的进口中的工作介质的压力。因而，可以形成该循环以优化燃气轮机组件的进口压力和温度条件。
在图25中，示出了包括中间热交换器108和再生热交换器105的燃气轮机发电系统中的热平衡的概算的例子。换句话说，假定图25中所示的值分别是熔盐热交换器102中的交换热的量、低压压缩器107和高压压缩器109的进口中的工作介质的温度、以及轮机103的进口中的工作介质的温度和压力。假定压缩器和轮机103的绝热效率分别固定于0.9和0.93。另外，假定再生热交换器105的温度效率固定于98％。因而，使用轮机的膨胀比作为参数来计算热平衡。在概算的例子中，当从熔盐热交换器102到工作介质的输入热为50MW时，功率输出为23.6MW。因此，循环热效率为47.2％，从而超过了图24中所示的Brayton循环的循环效率(33％)、以及传统蒸汽轮机的效率(39％)。
而且，图27是示出在轮机的进口中工作流体的温度为800k(527℃)的条件下，包括再生热交换器和中间热交换器108的图25中所示的燃气轮机发电系统(图27中的RC+IC循环)和不包括再生循环的燃气轮机发电系统(图27中的IC循环)中的功率系数-循环热效率的关系的图。如图27所示，在不包括再生循环的燃气轮机发电系统(图27中的IC循环)中，当轮机103的膨胀系数为20时，热效率最大(26％)，并且，功率系数也大。然而，当工作介质是二氧化碳时，这样大的膨胀系数使系统的压力高到难以实现该系统。相反，应该理解，在包括再生热交换器105的燃气轮机发电系统(图27中的RC+IC循环)中，循环热效率被提高，并最大增加到47％。因而，在再生式循环中，即使当轮机进口中的温度低于图24中所示的开放式Brayton循环时，可以实现高循环热效率。以上提及的图25示出最佳条件下的热平衡图。
接着，图28示出循环热效率如何依赖于膨胀比。如图28所示，最大化热效率的膨胀系数为1.55。因此，足以生产具有这样的膨胀系数的轮机。然而，功率系数下降到约IC循环的50％。因此，燃气轮机发电系统适合于发电功率输出为小或中等规模的燃气轮机，并且优选用于太阳能利用。应该理解，轮机103进口中的工作介质的压力最佳在20MPa附近。
图29是示出再生式热交换器的温度效率如何影响循环热效率的图。这里，图29中右纵轴旁边的回流换热器的比热负荷和该图中的Specific Qrecup表示再生式热交换器的比热负荷。当比热负荷巨大时，再生式热交换器可以是小的以完成所需热交换。
如图29所示，应该理解，当常用热交换器的温度效率约为85％时，循环热效率仅约为20％，但是，当温度效率约为98％时，循环热效率为47％。尤其，当温度效率为95％或更高时，灵敏度很大。因此，应该理解，结合高效再生热交换器，燃气轮机发电系统可以实现包括再生热交换器105的燃气轮机发电系统的特征(图27中的RC+IC循环)。
因而，考虑到工作流体的温度和压力范围，在耐压和耐热方面卓越的PCHE(打印电路热交换器)是最合适的。在图26所示的情况下，管壳式热交换器的总容量为125m3，而PCHE的总容量为10m3，即，管壳式热交换器的1/12。因此，在安装设备的空间和成本两个方面，PCHE都是有利的。对于PCHE，在厚度为1mm的金属板上通过蚀刻处理切割具有约0.6mm的液力直径的流路。然后，扩散结合许多金属板，从而交替堆叠高温侧流路和低温侧流路。由此成形PCHE热交换器。PCHE具有高耐热耐压性，并且优选用于在高温高压中运行的超临界CO2燃气轮机循环系统。
因此，在燃气轮机发电系统100中，存储在熔盐中的阳光的热能被一次存储在太阳集热器101中的热存储介质中。然后，将热能的一部分提供给燃气轮机发电站以连续24小时发电。而且，该燃气轮机循环是再生循环，该再生式循环包括中间热交换器108并使用超临界状态的二氧化碳作为工作介质。结果，该系统可以在热存储介质的工作温度范围(中等温度)内运行，以获得高于Rankine循环的发电效率。具有这样的特征的燃气轮机太阳热发电系统可以建造与不生成二氧化碳的现有电源竞争的发电系统。
接着，图30示出将燃气轮机发电系统与化学设备结合的太阳能多重利用系统的具体例子。
在图30中所示的太阳能多重利用系统110中，日光反射装置111反射阳光能量。并且，中心反射器112聚集反射的阳光。然后，太阳集热器113接收所聚集的阳光。其后，将所接收到的阳光的热能存储在熔盐中，并且将该能量提供给燃气轮机发电系统和化学设备。因而，太阳能多重利用系统进行发电和化学处理。顺便提及，图30示出包括中心反射器112的系统。然而，在没有中心反射器的情况下，可以使用太阳集热器位于高处的tower-up方法来代替。
在太阳能多重利用系统110中，通过泵P3将熔盐等热存储材料从低温热存储容器114提供到太阳集热器113。其后，热存储材料吸收通过太阳集热器113接收到的阳光的热能，从而使热存储材料具有高温，然后通过泵P1将热存储材料提供并存储在高温热存储容器115中。而且，将高温热存储材料提供给第一热存储材料热交换器116，并将热能提供给二氧化碳，其中，二氧化碳已通过再生热交换器117聚集了来自轮机118的废气的废热。另外，在第二热存储材料热交换器119中，热存储材料将热能提供给向化学处理或海水脱盐等提供热的化学设备循环。其后，具有预定温度的热存储材料返回到低温热存储容器114。
在第一热存储材料热交换器116中加热后的二氧化碳在轮机118中进行膨胀功。然后，发电机120将一部分或几乎全部膨胀功转化成电能。在再生热交换器117中，已在轮机118中完成膨胀功的废气(工作流体)将一部分热能提供给经过压缩器121压缩的工作介质。其后，在冷却器122中将废气冷却到预定温度，并将废气导入压缩器121。将通过压缩器121压缩和再生热交换器117加热的工作介质导入第一热存储材料热交换器116，并通过太阳热能对其加热，从而燃气轮机发电循环回复一周。在该发电循环中，为了提高功率系数，压缩器121优选是包括图25中所示的低压压缩器107、中间热交换器108和高压压缩器109的中间冷却(IC)循环。或者，可以将通过冷却器冷却的工作介质的一部分分流给第三压缩器。然后，可以将压缩后的工作介质导入再生热交换器。在太阳能多重利用系统110中，控制从高温热存储容器115提供到第一热存储材料热交换器116的热能，以24小时向第一热存储材料热交换器116提供预定量的热能。因此，即使在夜间，也可以生成电力以输出恒定功率。燃烧矿物燃料以在第一热存储材料热交换器116中加热工作介质(二氧化碳)以辅助供热。化学设备的具体例子包括在煤炭气化处理中加热和使CMM(煤浆)蒸发的设备、或利用热生成蒸汽的海水脱盐。可以使用热能作为这些化学设备的热源。而且，当蒸汽温度高时，可以建造Rankine循环作为发电系统。
在这些燃气轮机发电系统和太阳能多重利用系统中，在600℃或更低的工作温度，热存储介质优选为硝酸碱(例如，NaNO3和KNO3的等摩尔溶液)。而且，在600℃或更高的工作温度，可以使用金属钠作为热存储介质。金属钠的熔点和沸点分别约为80℃和850℃，从而在宽温度范围中保持流体。另外，金属钠的导热性非常高。因此，金属钠适合作为传热介质。而且，在高于熔盐的温度，可以使用金属钠。因此，具有与使用硝酸熔盐的情况相比，燃气轮机循环的循环热效率更高的特征。而且，金属钠与二氧化碳的化学反应发生缓慢。因而，即使钠直接接触二氧化碳，也不会发生爆炸或生成高热，因而金属钠非常安全。
实例
接着，示出本发明的例子以更具体地说明本发明。然而，本发明不局限于这些例子。
实例1
表1示出太阳能利用的商业规模聚光系统(实际应用)和进行商业规模太阳能利用的示范实验的聚光系统(用于实验)中的主要参数。而且，图31示出用于实际应用的聚光系统中的旋转双曲面(图中短划线所示)和沿着该旋转双曲面配置的反射器块的结构例子。
表1：聚光系统中的计算所使用的参数
  实验     实际应用
日光反射装置 形状   正方形
尺寸   0.63m×0.63m
块数量   36
周长   4.8m
数量   2,011     18,600
反射器块 形状   旋转双曲面     旋转双曲面
上焦点(聚光点)距离地面的高度 45m 140m
下焦点(聚光面)距离地面的高度 10m 25m
安装日光反射装置的地方(圆形) 外径   123m     370m
内径   18m     25m
热输出   10.9MW     100MW
具有无数量限制的符合以下条件的旋转双曲面：上焦点和下焦点的高度分别为140m和25m。这里，如图31所示，检查了这样一种情况：通过十个旋转双曲面的部分(用粗线表示的部分)形成反射器，其中，旋转双曲面的中心点高度以1m为间隔从116m到125m。
在高度116m的旋转双曲面中，使用最外面(右)部分。这里，点A是来自太阳中心且在从外面开始第五个日光反射装置(序列号67：参见图32中的横座标轴)的中心上反射的光束在旋转双曲面上照射的点。
接着，在反射器组的结构中，考虑这样的曲面(形状为切去顶端的锥形)，该曲面是由中心线CL附近的点A处的旋转双曲面的切线旋转形成的。中心线CL将聚光点与聚光面的中心连接。图32示出当来自序列号为63-71的日光反射装置(参见图32中的横座标轴)的光束在切去顶端的锥形面上被反射且经过下焦平面(聚光面)时的径向座标。
图32中的“日光反射装置的外缘-太阳的内缘”意为由日光反射装置的外缘反射的阳光。这种情况下的阳光从中心迁移到最外面。相反，“日光反射装置的内缘-太阳的外缘”情况中的阳光迁移到最里面。
如图32所示，在包括由多个反射器块构成的反射器组的第二反射器中，与包括沿着旋转双曲面形成的一个反射器的第二反射器相比，聚光面上的光发散较小。第二反射器块反射由日光反射装置(一次反射器)所聚集的阳光，并使所反射的阳光会聚在聚光面上。
图33示出与传统情况相比在使用根据本发明的阳光聚集反射器的情况下聚光面上的热通量的径向分布。如图33中所示，在聚光面上的热通量的径向分布中，在使用根据本发明的阳光聚集反射器的情况下，中心的聚光倍率相对下降。另一方面，在外周(下焦平面中的位置座标大的区域：从聚光面的中心到外面的部分)，聚光力相对增加。该分布中所示的均一热通量优选用作重整反应器等的能量。该分布具有实现温度的空间均衡分布的热通量的特征。
实例2
图34示出包括沿着满足上焦点和小焦点的高度分别为140m和25m的条件的旋转椭圆面形成的反射器块的反射器组的结构例子。图34中所示的反射器组示出分别使用十个旋转椭圆面的部分(用粗线表示的部分)形成反射器块的例子。十个旋转椭圆面具有不同的曲率半径，其中，旋转椭圆面的中心点高度以1m为间隔从164m到155m。
在包括反射器组的阳光聚集反射器中，通过日光反射装置聚集到旋转椭圆面的上焦点的阳光被反射器块反射。然后，所反射的阳光会聚在旋转椭圆面的下焦点上(聚光面)以与实例1相同的程度发散(图32中所示的光发散)。
接着，考虑这样一种情况：对于阳光聚集系统，将高度H＝120m的塔置于一平方公里的平地的中心。而且，来自围绕该单个塔配置的第一日光反射装置的光被聚集到该塔的上部的集热器。这里，当假定太阳仰角为45度时，从太阳直接到达该区域的能量约为700MW。
实例3
图35示出当座标原点(0，0)位于塔处时获得包括塔的南北方向上的各种参数的分布的结果。这里，在相互之间无光干扰发生的范围内最密集配置日光反射装置(以避免遮挡和阴影)。
在图35中，横座标轴代表南北方向上第一日光反射装置的位置。而纵坐标轴代表在第一日光反射装置朝向太阳的情况下使用对于第一日光反射装置的尺寸比的阴影长度和遮挡长度，并使用对于所聚集的光量ρmax的比的所接收的光量。
根据图35中所示的结果，在塔北侧，所接收的光量和第一日光反射装置的阴影长度和遮挡长度都非常突出。而且，应该理解，在以下表达式所表示的范围中阴影长度较长，而在其余范围中遮挡长度较长。
[表达式13]
|y|＜H/tan(φ)＝120/tan(45)＝120
根据阴影长度和遮挡长度两者中较长的一个确定所配置的第一日光反射装置之间的间隔。因此，考虑图35中所示的结果，为了在避免光干扰的情况下最密集地配置日光反射装置，在北侧稀疏配置接收到的光量大的第一日光反射装置，而在南侧密集配置接收到的光量小的第一日光反射装置。日光反射装置接收到的光量在北侧大而在南侧小。因此，在一个塔的情况下，为了以最少数量的日光反射装置获得最大量的接收光，塔的位置从场地中心向南迁移是有利的。
而且，北侧位置4H处的遮挡长度是第一日光反射装置长度的四倍。因而，应该理解，在遮挡长度中，明亮的地面的部分的长度为2.6H(通过从遮挡长度减去阴影长度所获得的差)。
接着，图36示出在将本发明应用于具有两个塔(聚光点)的阳光聚集系统的情况下使用对于理论值的比的聚光密度的场地均值(在南北方向上每场地单位长度可聚集的光量)。这里，塔(聚光点)的高度为H＝60m，南北方向上场地的长度为8H＝480m，并且场地中心位于距离南端240m的位置处。这是图35中所示的聚光系统的1/2比例。图36中的横座标轴示出南侧的塔的座标。
在该聚光系统中，北侧的塔位于与南侧的塔关于原点(场地中心)点对称的位置处。
如图36所示，应该理解，与一个塔(聚光点)的情况相比，应用本发明的具有两个塔的聚光系统的场地效率明显较高，并且在距离南端2H位置附近处最大。
在该位置，应该理解，与具有一个聚光点的传统聚光系统的情况相比，效率提高到1.5倍。
鉴于几何相似关系，考虑到：在南北方向上座标是对于塔的高度的相同比的位置处取得相同结果。那么，延伸上述结果示出：在其南北方向上的长度为960m的场地中(图35中所示的例子模式)，最佳位置位于H＝120m的场地中2H＝240m附近。
图37示出作为塔的最佳位置处的参数的聚光密度、朝向南的日光反射装置(第一日光反射装置)的数量密度、第一日光反射装置和第二日光反射装置的总数量密度、以及总聚光密度的计算结果。在横座标轴＜-50m的区域中混合配置第一日光反射装置和第二日光反射装置。而且，第二日光反射装置的数量对应于短划线的纵座标值(朝向南的日光反射装置(第一日光反射装置)的数量密度)与两短一长交替的虚线的纵座标值(第一日光反射装置和第二日光反射装置的总数量密度)之间的差。
如图37中所示，应该理解，在距离中心处的每个塔60m的区域中(整体的50％)，可以实现太阳仰角为45度情况下的理论聚光密度＝0.707。
图38示出以下两种聚光系统情况下在实现理论聚光密度的区域(-260＜y＜-180)中所需日光反射装置的数量的比较：无插入日光反射装置的将光聚集到北侧的塔(第二个塔)的聚光系统的情况和本发明的聚光系统的情况(其中，混合配置第一日光反射装置和第二日光反射装置)。显然应该理解，在本发明的情况下，所安装的日光反射装置的数量较少。换句话说，具有优点：利用插入日光反射装置的本发明的方法，可以减少用以获得要求的聚光量而需要的日光反射装置的数量。在这种情况下，应该理解，日光反射装置的数量减少了5％。
日光反射装置的最佳配置
接着，将讨论在太阳和塔看似处于同一方向上的线上的日光反射装置的配置。
首先，假定塔的高度为60m，考虑以塔为中心半径480m的区域中的聚光，计算相关的优点。这里，参数是对于设备成本的日光反射装置相关成本的比。图39示出太阳仰角为45度情况下的计算结果。对于在一个塔位于该区域中心的参考情况中的值，计算优点。
如图39所示，在一个塔的情况下，应该理解，当对于整个工程成本日光反射装置的设备成本比为0.6、0.5和0.4，并且分别位于距离南端120m、150m和180m的最佳位置处时，指标最大化。通常，在太阳仰角为45度的情况下，可以用2H、2.5H和3H表示最佳位置，其中，塔的高度为H。
该原因是因为：在北半球中，日光反射装置所聚集的光量在塔的北侧趋向于大，而在避免邻近日光反射装置的光干扰(反射光的阴影和干扰)情况下可以配置的第二日光反射装置的每单位面积的数量(数量密度)，在南侧趋向于大。然而，在具有一个塔的聚光系统中，当日光反射装置的设备成本比为0.5时，与一个塔位于场地中心的情况相比，优化后的优点最多约为2％。而且，需要辽阔的土地以获得需要的聚集的光量。因此，从日光反射装置到塔(聚光点)的光路长度变长。结果，存在光在焦平面上发散(稀释)的不利影响，以致于接收器需要很大。
另一方面，如图17所示，将讨论这样的情况：在具有两个聚光点(塔)的聚光系统中插入第二日光反射装置。
在该聚光系统中，在塔的北侧，根据在L＞H情况下的阴影长度或L＜H情况下的干扰(遮挡长度)，确定所配置的第一日光反射装置之间的间隔。在发生遮挡的区域中，存在阳光照射到地面的地方，所以场地效率降低。在该地方中，配置朝向北的第二日光反射装置，以将光聚集到第二塔。对于第二日光反射装置，由于以相反方向引导光路，并且到塔的距离短，因而仅发生轻微的光干扰。结果，可以有效配置第二日光反射装置。
而且，在L＝H的情况下，由于同样根据阴影确定第二日光反射装置之间的间隔，  因而不再有照射到地面的地方，并且场地效率变成100％。此后，将该配置称为完全覆盖(参照图22)。以分别离北端和南端相同的距离配置两个塔，该距离为变量。参数是日光反射装置的设备成本比。而且，假定塔的设备成本比为10％/塔。在这种情况下，优点最大化的塔的最佳位置位于离开北端和南端约L＝100-110m＝1.7-1.8H。因此，与一个塔的情况相比，塔(聚光点)位于离端点稍近的地方。而且，应该理解，最佳位置仅轻微依赖于日光反射装置的设备成本比。与参考情况相比，所聚集的光量增加38％(利益增加)，日光反射装置的数量增加25％，并且塔的数量增加一个(成本增加)。结果，与将一个塔置于场地中心的情况相比，当对于整个设备成本的所有日光反射装置的设备成本的比，即，所有日光反射装置的设备成本比为0.5时，优点提高了15.5％(＝38-0.5*25-10)。与一个塔位于最佳位置的情况相比，能量成本下降13.5％(＝15.5-2)。
工业应用
根据本发明的第一方面A和B的太阳集热器高效使用太阳能。因此，存储在太阳集热器中的热交换介质中的热能优选用作各种类型的系统和处理的热源，例如，发电系统、化学反应处理、以及海水脱盐设施等。
而且，在本发明的第一方面A的太阳集热器中，减少了由反射光和热对流引起的热损失、以及从高温光接收面生成的热辐射引起的热损失。而且，螺旋弯曲管以形成集热元件。  因此，与热交换介质的流路是通过组合金属板形成的集热元件相比，减少了热应力。还具有结构强度和易于生产的优点。
而且，在本发明的第一方面B的太阳集热器中，与本发明的第一方面A相似，减少了由反射光和热对流引起的热损失、以及由从高温光接收面生成的热辐射引起的热损失。另外，阳光直接加热形成液膜的热交换介质。因此，可以简化耐热设计和缩小集热元件的尺寸。而且，不必需要长的流路，因而可以减小发送热交换介质所需的泵功率。
另外，在根据本发明的第二方面的太阳能利用系统中，可以有效利用通过太阳集热器高效存储在热交换介质中的热能。
根据本发明的第三方面的阳光聚集反射器可以使通过一次反射器聚集的阳光有效会聚在集热器上。而且，每个反射器块可以小到不会受到强风压。因此，可以防止风波动使反射器块的位置迁移和使反射器块本身变形，以免降低聚光的精确度。另外，每个反射器块的结构可以小到相对简化支持结构、易于抗风设计、以及降低建造成本。而且，阳光聚集反射器可以防止光在集热器中的光接收面上的发散，以将太阳能聚集到小于传统集热器的集热器。而且，可以控制光接收面上的入射光热通量从而以相等的热通量来平衡能量。
而且，阳光可以会聚在集热器上的较小面积上。因此，即使集热器的聚光进口的开口直径小，也可以有效聚光，使得集热器的尺寸可被缩小。
而且，根据本发明的第四方面的太阳能利用系统可以聚集照射半径几十或几百米的面积的阳光。然后，可以使用所聚集的阳光的热能作为发电、合成燃料生产、各种化学处理、或海水脱盐设施等的热源。尤其，由于以相等的热通量来平衡能量，因而作为将热能提供给用于从天然气生成氢等的化学反应的重整反应器的系统，该太阳能利用系统是有效的。
在该太阳能利用系统中，使用根据本发明的第一方面A或B的太阳集热器作为集热器，使得由一次反射器聚集的阳光可以有效会聚在集热器上。另外，会聚的阳光的能量被高效存储在热交换介质中，并且，可以使用所存储的热能。
而且，根据本发明的第五方面的阳光聚集系统可以聚集照射半径几百米到几千米的巨大面积的阳光。换句话说，该阳光聚集系统可以解决这样的问题：存在阳光照射的未使用的光亮地面，并且在该地面上，不能配置反射阳光的日光反射装置，因此仅可以利用照射到地面的阳光的一部分。因而，可以以最小数量的日光反射装置从有限的区域保持高有效能有效地聚集阳光，以聚集必需的太阳热。结果，可以获得以下效果。
(1)聚光功率高，并且可以在高温聚集阳光的能量。在仅形成一个聚光点的传统聚光系统中，即使当最佳配置日光反射装置时，最多将能量消耗提高约2％。然而，在根据本发明的聚光系统中，例如，在形成两个聚光点时可以将能量消耗提高13％，并且，还可以提高场地效率。
(2)可以缩短从日光反射装置到集热器或聚光反射器的反射光的光路长度。另外，可以保持聚光功率恒定，而与聚光的规模无关。
(3)可以配置日光反射装置组，使得在南北方向上连续形成聚光点。因此，即使在狭长的陆地，也可以有效聚集阳光。
(4)可以组合和配置日光反射装置组，使得在南北方向和东西方向上形成聚光点。因而，可以根据辽阔陆地和陆地的任何形状有效聚集阳光。
(5)可以配置日光反射装置组，使得通过三个日光反射装置组形成的三个聚光点位于底边对准东西方向的三角形的顶点。因而第二日光反射装置可以根据阳光照射角度季节性地和一天中的的变化，始终选择最佳聚光点。结果，与固定安装日光反射装置的聚光系统相比，可以最大化一天和一年中所聚集的光量。
(6)当第二日光反射装置可以移动以始终避免第一日光反射装置所造成的阴影时，可以进一步提高聚光效率。而且，为了根据白天和季节中的时间跟随太阳，第二日光反射装置可以改变位置，并且移动第二日光反射装置本身的反射面，以在反射面上接收最多阳光。因此，第二日光反射装置可以移动到避开由第一日光反射装置造成的阴影的位置，并且随着一天中和季节性太阳仰角的变化随时改变。结果，可以提高聚光效率。
而且，根据本发明的第六方面的太阳能利用系统，可以使用通过阳光聚集系统高效聚集的阳光，作为发电、合成燃料生产和各种化学处理的热源。
在该太阳能利用系统中，使用根据本发明的第一方面A或B的太阳集热器作为集热器，并且使用根据本发明的第三方面的阳光聚集反射器作为阳光聚集反射器。结果，通过一次反射器聚集的阳光可以有效会聚在集热器上。另外，会聚的阳光的能量被高效存储在热交换介质中，并且可以利用所存储的热能。

Claims (39)

1.一种太阳集热器，包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，通过该进口将热交换介质导入所述集热元件中；以及
热交换介质出口，通过该出口将被通过所述阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质送出，
在所述太阳集热器中，
以使具有朝向阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面的方式由螺旋缠绕的热交换介质循环管形成所述集热元件，所述热交换介质在所述热交换介质循环管内流动。
2.根据权利要求1所述的太阳集热器，其特征在于，
对所述光接收面进行光吸收率和耐热性处理。
3.一种太阳集热器，包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，其设置在所述集热元件的上部；以及
热交换介质出口，其设置在所述集热元件的底部，并且通过该出口将被通过所述阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质送出；
在所述太阳集热器中，
所述集热元件使所述热交换介质作为液膜从所述热交换介质进口沿着所述光接收面靠重力向下流动，并通过所述热交换介质出口将所述热交换介质送出。
4.根据权利要求3所述的太阳集热器，其特征在于，
所述热交换介质包括光吸收物质。
5.根据权利要求3或4所述的太阳集热器，其特征在于，包括：
所述光接收面上的所述热交换介质的流动导引条和/或所述阳光进口中的石英玻璃窗口。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的太阳集热器，其特征在于，包括：
所述集热元件外面的绝热部分。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的太阳集热器，其特征在于，
所述集热元件包括所述阳光进口中的绝热和遮挡机构。
8.一种太阳能利用系统，包括：
根据权利要求1-6中任一项所述的太阳集热器。
9.一种包括根据权利要求1-6中任一项所述的太阳集热器的太阳能利用系统，其中，
使用存储在从所述太阳集热器送出的所述热交换介质中的热，作为用于发电或工业处理的热。
10.一种包括根据权利要求1-6中任一项所述的太阳集热器的太阳能利用系统，包括如下机构：
该机构控制通过所述热交换介质进口导入的所述热交换介质的量，以将从所述太阳集热器送出的所述热交换介质的温度保持在恒定的预定值，而与太阳辐射量的变化无关。
11.一种阳光聚集反射器，该阳光聚集反射器反射通过多个一次反射器聚集到光聚集点的阳光，并使所反射的阳光会聚在集热器上，该阳光聚集反射器包括：
包括多个反射器块的反射器组，其中，
每个所述反射器块包括使阳光会聚在所述集热器上的反射面。
12.根据权利要求11所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
沿着旋转二次曲面配置所述反射器组中所包括的所述反射器块的所述反射面，所述旋转二次曲面的共焦点位于所述阳光的聚光点，并且所述旋转二次曲面的曲率半径不同。
13.根据权利要求12所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
所述反射器组包括n个所述反射器块(n为大于或等于2的整数)，沿着从所述聚光点到所述集热器的方向配置所述n个反射器块，并且，其中，
沿着曲率半径为Rk(k为整数且1＜k≤n-1)的旋转二次曲面放置距离聚光点F1第k近的反射器块Sk的反射面，而沿着曲率半径为Rk+1的旋转二次曲面放置第k+1近的反射器块Sk+1的反射面，在曲率半径Rk与Rk+1之间存在关系Rk＜Rk+1。
14.根据权利要求12或13所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
由所述旋转二次曲面的一部分形成所述反射器块的反射面。
15.根据权利要求12或13所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
通过所述旋转二次曲面的切面形成所述反射器块的反射面。
16.根据权利要求12或13所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
所述反射器块的反射面包括一组反射器单元，通过所述旋转二次曲面的所述一部分或切面，形成每个所述反射器单元。
17.根据权利要求14-16中任一项所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
所述旋转二次曲面是从旋转双曲面和旋转椭圆面中选择的至少一种类型的曲面。
18.根据权利要求11-17中任一项所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
由所述多个一次反射器聚集到所述聚光点的阳光的光路与所述反射阳光的光路之间没有重叠地配置所述多个反射器块。
19.根据权利要求11-18中任一项所述的阳光聚集反射器，其特征在于，
沿着所述旋转二次曲面围绕中心轴以环状形成所述反射器块的所述反射面，所述中心轴是连接所述阳光的聚光点与所述集热器的聚光面的中心的中心线。
20.一种包括根据权利要求11-19中任一项所述的阳光聚集反射器的太阳能利用系统。
21.根据权利要求20所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述集热器是太阳集热器，其包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，通过该进口将热交换介质导入所述集热元件中；以及
热交换介质出口，通过该出口将被所述阳光加热后的所述热交换介质送出；
在所述太阳集热器中，
以使具有朝向所述阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面的方式由螺旋缠绕的热交换介质循环管形成所述集热元件，其中，所述热交换介质在所述热交换介质循环管内流动。
22.根据权利要求20所述的太阳能利用系统，其特征在于，所述集热器是太阳集热器，其包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，其设置在所述集热元件的上部；以及
热交换介质出口，将设置在所述集热元件的底部，通过该出口将被通过所述阳光进口导入的阳光加热后的所述热交换介质送出；
在所述太阳集热器中，
所述集热元件使所述热交换介质作为液膜从所述热交换介质进口沿着所述光接收面靠重力向下流动，并通过所述热交换介质出口将所述热交换介质送出。
23.一种阳光聚集系统，包括：
多个日光反射装置组，由每个所述日光反射装置组中所包括的多个日光反射装置形成阳光的聚光点；
在所述阳光聚集系统中，
在将阳光聚集到一个聚光点Fa的日光反射装置组A中所包括的多个日光反射装置An(n为大于或等于2的整数)之间阳光照射到的地方配置将阳光聚集到另一聚光点Fb的日光反射装置组B中所包括的多个日光反射装置Bm(m为大于或等于2的整数)，其中
以这样的方式配置所述日光反射装置An和所述日光反射装置Bm：在向包含所述日光反射装置的日光反射装置组的聚光点的方向上，形成所述日光反射装置An和所述日光反射装置Bm中每一个反射光的光路。
24.根据权利要求23所述的阳光聚集系统，其特征在于，
所述日光反射装置An和所述日光反射装置Bm优选具有相同或不同的形式。
25.根据权利要求23或24所述的阳光聚集系统，其特征在于，
优选以这样的方式配置所述日光反射装置组A和所述日光反射装置组B：在北半球中，在所述一个聚光点Fa的北侧形成所述另一个聚光点Fb，而在南半球中，在所述一个聚光点Fa的南侧形成所述另一个聚光点Fb。
26.根据权利要求23-25中的任一项所述的阳光聚集系统，其特征在于，
所述日光反射装置组A包括多个第一日光反射装置，所述日光反射装置组B包括多个第二日光反射装置，并且根据所述聚光系统是位于北半球地区还是南半球地区，在通过所述日光反射装置组A形成的所述聚光点Fa的北侧或南侧形成所述日光反射装置组B的所述聚光点Fb，
以这样一种方式配置所述第一日光反射装置：使所述反射面朝向太阳和所述聚光点Fa，而且，
以使反射面朝向太阳和所述聚光点Fb的方式将所述第二日光反射装置配置在所述日光反射装置组A中包括的多个所述第一日光反射装置An(n为大于或等于2的整数)之间阳光照射到的且比所述第一日光反射装置更接近地面的地方。
27.根据权利要求26所述的阳光聚集系统，其特征在于，
所述第二日光反射装置能够以在所述反射面上接收最大量阳光的方式根据白天和季节中的时间改变位置并移动所述日光反射装置本身的反射面以跟随太阳。
28.根据权利要求27所述的阳光聚集系统，其特征在于，
在南北方向上交替配置所述日光反射装置组A和所述日光反射装置组B，并且，日光反射装置组Bh1(h1为大于或等于1的整数)和下一个日光反射装置组Ak1(k1为大于或等于2的整数)形成一个聚光点。
29.根据权利要求23-37中任一项所述的阳光聚集系统，其特征在于，包括：
包括三个日光反射装置组的单元；
在所述阳光聚集系统中，
以这样一种方式配置所述日光反射装置组：由所述单元中包括的所述日光反射装置组分别形成的三个聚光点位于三角形的顶点，该三角形的底边对准东西方向。
30.根据权利要求29所述的阳光聚集系统，其特征在于，
所述三角形是等腰三角形，其底边对准东西方向，在北半球中，其顶点位于所述底边的北侧，而在南半球中，则位于所述底边的南侧。
31.根据权利要求29或30所述的阳光聚集系统，其特征在于，
在东西方向和南北方向上在三角形格中配置所述单元。
32.一种包括根据权利要求23-31中任一项所述的阳光聚集系统的太阳能利用系统，其中，
将集热器放置在由所述阳光聚集系统中的多个所述日光反射装置组分别形成的每个所述聚光点处，以回收所聚集的阳光的能量。
33.一种包括根据权利要求23-31中任一项所述的阳光聚集系统的太阳能利用系统，其中，
将具有沿着旋转二次曲面形成的反射面的反射器放置在由所述阳光聚集系统中的多个日光反射装置组分别形成的每个所述聚光点处，以将阳光和所聚集的阳光的热能回收到放置在所述反射器下部的所述集热器。
34.一种包括根据权利要求23-31中任一项所述的阳光聚集系统的太阳能利用系统，其中，
由所述阳光聚集系统聚集的阳光的热能被用于发电或工业处理。
35.根据权利要求31-33中任一项所述的太阳能利用系统，其中，
所述集热器是太阳集热器，其包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，通过该进口将热交换介质导入所述集热元件中；以及
热交换介质出口，通过该出口将被阳光加热后的所述热交换介质送出，
在所述太阳集热器中，
以使具有朝向所述阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面的方式，由螺旋缠绕的热交换介质循环管形成所述集热元件，所述热交换介质在该热交换介质循环管内流动。
36.根据权利要求31-33中任一项所述的太阳能利用系统，其特征在于，
所述集热器是太阳集热器，其包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，其设置在所述集热元件的上部；以及
热交换介质出口，其设置在所述集热元件的底部，通过该出口将被通过所述阳光进口导入的阳光加热后的所述热交换介质送出；
在所述太阳集热器中，
所述集热元件使所述热交换介质作为液膜从所述热交换介质进口沿着所述光接收面靠重力向下流动，并通过所述热交换介质出口将所述热交换介质送出。
37.根据权利要求31或32所述的太阳能利用系统，其特征在于，
所述反射器是阳光聚集反射器，其反射由多个所述一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使所反射的阳光会聚在所述集热器上，所述阳光聚集反射器包括：
包括多个反射器块的反射器组；
在所述阳光聚集反射器中，
每个所述反射器块具有使阳光会聚在所述集热器上的反射面。
38.根据权利要求31-33中任一项所述的太阳能利用系统，其特征在于，
所述集热器是太阳集热器，其包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，通过该进口将热交换介质导入所述集热元件中；以及
热交换介质出口，通过该出口将被阳光加热后的所述热交换介质送出；
在所述太阳集热器中，
以使具有向所述阳光进口变窄会聚的向内弯曲的光接收面的方式，由螺旋缠绕的热交换介质循环管形成所述集热元件，所述热交换介质在所述热交换介质循环管内流动，
在所述太阳能利用系统中，
所述反射器是阳光聚集反射器，其反射由多个所述一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使所反射的阳光会聚在所述集热器上，所述阳光聚集反射器包括：
包括多个反射器块的反射器组，
在所述阳光聚集反射器中，
每个所述反射器块具有使阳光会聚在所述集热器上的反射面。
39.根据权利要求31-33中任一项所述的太阳能利用系统，其特征在于，
所述集热器是太阳集热器，其包括：
集热元件，其内表面构成光接收面以接收阳光；
阳光进口，其开口于所述集热元件的一端；
热交换介质进口，其设置在所述集热元件的上部；以及
热交换介质出口，其设置在所述集热元件的底部，通过该出口将被通过所述阳光进口导入的阳光加热后的热交换介质送出；
在所述太阳集热器中，
所述集热元件使所述热交换介质作为液膜从所述热交换介质进口沿着所述光接收面靠重力向下流动，并通过所述热交换介质出口将所述热交换介质送出，以及
在所述太阳能利用系统中，
所述反射器是阳光聚集反射器，其反射由多个一次反射器聚集到聚光点的阳光，并使所反射的阳光会聚在所述集热器上，所述阳光聚集反射器包括：
包括多个反射器块的反射器组，在所述阳光聚集反射器中，
每个所述反射器块具有使阳光会聚在所述集热器上的反射面。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: COSMO OIL Co.,Ltd.

Assignor: Tokyo Institute of Technology

Contract record no.: 2011990000146

Denomination of invention: Sunlight collecting reflection device and sunlight energy utilizing system

Granted publication date: 20100609

License type: Exclusive License

Open date: 20070829

Record date: 20110311

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20100609

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