CN101080599B - 太阳能收集装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于从太阳能集中器收集热量的装置，该装置具有等温体，该等温体限定了具有圆形入口的细长腔体，该入口具有的直径等于太阳能收集器的聚焦直径，该腔体具有反射壁，使得接触所述壁的太阳光线被基本上反射。圆形入口位于太阳能收集器的焦点处且垂直于太阳能集中器的主轴，并且腔体的轴线与太阳能集中器的主轴对齐。等温体中产生的热量被吸热器吸收。腔体的长度足以吸收进入腔体的太阳光线中所需比例的能量，并且腔体的长度大约为腔体的入口直径的5至9倍。根据所使用的材料，等温体可以被封闭在还原空气中，以保证腔体壁的反射率。

Description

太阳能收集装置及方法
技术领域
本发明属于太阳能领域，具体地，属于为了推进热化学处理、热机械处理、或其它热处理的目的而收集集中的太阳辐射的领域。
背景技术
现今，人们对于开发用于许多热力驱动处理的可更新的太阳热能存在着相当大的兴趣。这些处理可以包括斯特林(sterling)发动机或汽轮机发电系统中的热机械处理、热化学重整、热裂解、工程采暖、综合采暖、材料加工等。太阳能收集系统一般放置在容易利用阳光的地方。在典型系统中，将镜子(或者平面镜或者曲面镜)设置在抛物面或槽式结构中，以将入射的太阳辐射集中到预定目标上。当太阳横穿天空时，跟踪控制系统或预编程的算法通过移动镜子来保证所需的光学几何条件。
目标通常是一些空腔或浅盘的形式，集中的光锥射向该空腔或浅盘。空腔通常设置有多个管，冷却剂流到该管内，以将所吸收的热量传递到工作过程。一些腔体的设计如同美国专利#5,113,659，在腔体内包括一系列热导板(hot shoe)，以将热能传导至多个自由活塞斯特林(sterling)发电机。在一些太阳能热量化学处理中，采用图像火球在透明工艺管中直接加热催化剂床，经常导致热点，造成催化剂结块以及处理温度控制不良。
在所有这些收集方案中，必须使光斑尺寸和形状适合于热交换和腔体参数。为了避免局部过热效应，经常使火球散焦，或者使多个火球偏斜，以提供均匀热区，该热区中放置有工艺热交换管。由于扩大的太阳能图像尺寸且伴随有增大的热辐射表面面积，造成太阳能火球在目标上的不太理想的聚焦以及辐射损失的增加。
通过全面的产品转换效率将最大程度地控制太阳能收集技术的规模和成本，因此任何太阳能收集系统的目标都是对于尽可能小的太阳能收集面积获得最大的产品产量。实现该目标的关键因素在于使由于目标二次辐射造成的寄生损失最小。
所需的处理温度控制收集装置，所述收集装置对于低等热供应为槽式反射器，或者对于更高的温度为抛物面集中器。蒸汽系统可以在小于800K的中等温度下运转，然而在一些吸热反应中，尝试获得高平衡常数时的热化学可能需要相当高的温度。不幸地是，随着处理温度的增加，寄生辐射损失遵循Stefan定律(Pr＝σεAT4)，使得对于目标的绝对温度每翻一番，在处理温度处由于热辐射造成的损失就增加16倍。通过利用与最优腔体容纳结构结合的尽可能小的火球图像或最高太阳能浓度(其中黑体面积等于聚焦的太阳能图像)，可以实现最小辐射损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服了现有技术中的问题的太阳能热量收集装置及方法。
在本发明的第一实施例中，提供了一种用于从太阳能集中器收集热量并将所收集的热量传递到吸热器的装置。该装置包括等温体，该等温体限定了具有大体为圆形入口的细长腔体，该入口具有的直径基本上等于太阳能收集器的聚焦直径，该腔体具有反射壁，使得接触所述壁的太阳光线被基本上反射。该等温体适于定向成使得圆形入口基本上位于太阳能收集器的焦点处且基本上垂直于太阳能集中器的主轴，并且使得腔体的轴线与太阳能集中器的主轴基本上对齐。该等温体适于热连接至吸热器，使得等温体中产生的热量被吸热器吸收。腔体的长度足以吸收进入腔体的太阳光线中所需比例的能量。
在本发明的第二实施例中，提供了一种用于从太阳收集热量并将所收集的热量传递到吸热器的装置。该装置包括太阳能集中器和等温体，其中，该等温体限定了具有大体为圆形入口的细长的基本为圆柱形的腔体，该入口具有的直径基本上等于太阳能收集器的聚焦直径，该腔体具有反射壁，使得接触所述壁的太阳光线被基本上反射。该等温体定向成使得圆形入口基本上位于太阳能收集器的焦点处且基本上垂直于太阳能集中器的主轴，并且使得腔体的轴线与太阳能集中器的主轴基本上对齐。该等温体适于热连接至吸热器，使得等温体中产生的热量被吸热器吸收，并且腔体的长度大约为圆形入口直径的5至9倍。
在本发明的第三实施例中，提供了一种用于从太阳集中器收集热量以传递到吸热器的方法。该方法包括：提供等温体，该等温体限定了具有大体为圆形入口的细长腔体，该入口具有的直径基本上等于太阳能收集器的聚焦直径，该腔体具有反射壁，使得接触壁的太阳光线被基本上反射；定向等温体，使得圆形入口基本上位于太阳能收集器的焦点处且基本上垂直于太阳能集中器的主轴，并且使得腔体的轴线与太阳能集中器的主轴基本上对齐；将接触反射壁的每个太阳光线从反射壁上的第一接触点反射到反射壁上的第二点，以及反射到反射壁上的多个随后的接触点，其中，每个太阳光线中所含有的能量的一部分在每个接触点处被反射壁吸收，直到太阳光线中所含有的所需比例的能量被反射壁吸收；将吸热器热连接至等温体，使得等温体中由所吸收太阳光线能量产生的热量被吸热器吸收。
通过设置在等温体中的反射腔体内的多次内部反射，太阳辐射被转换成热量，并且该腔体接收器组件热耦合至所需的热处理或吸热器，等温体具有较大质量以结合热起伏，并提供具有基本上一致温度的耦合过程，而无论最小绝缘体或火球图像如何偏离。
腔体入口位于抛物面太阳能集中器的主光学轴上的焦点处，使得光锥在腔体入口处于最小直径。
机械结构类似于厚壁中空筒体，该筒体涂覆有或全部被构造以化学可还原材料，诸如但不限于铜。等温体热耦合至热处理，同时腔体的入口端在焦点处拦截来自太阳能集中器的光锥。太阳能通量进入腔体并经历多次内部反射，同时均匀地分布并逐渐将辐射还原为由接收器的等温体所吸收的并被传导至处理的热量。腔体壁的反射率通过惰性气体或还原局部空气来保证。
附图说明
根据结合附图对本发明优选实施例的详细描述，将更全面地理解本发明的上述目的和优点及其其它的目的和优点，附图中相同的部件用相同的标号表示，附图中：
图1和图2是现有技术的被构造成驱动斯特林发动机到电力转换器的太阳能热量收集系统的示意图；
图3表示在现有技术中使用的放射状倾斜的太阳能收集器的目标辐射轮廓，以将太阳能浓度降低到可接受的水平；
图4是现有技术和本发明的径向通量分布的曲线图；
图5是黑体热辐射损失与目标温度和面积的关系的图示；
图6是在斯特林发动机驱动的发电系统中采用的本发明实施例的示意性侧面剖视图；
图7是过热应用中的本发明替换实施例的示意性侧面剖视图；
图8和图9是在热化学反应器系统中采用的本发明实施例的示意性侧面剖视图；
图10是本发明等温体的示意性等轴视图，限定了同轴腔体并示出了腔体工作的单一光程和基本原理；以及
图11是图10的导热体的端部视图，示出了内部光程。
具体实施方式
图1和图2示意性地示出了现有技术的用于驱动热力发动机和发电机组合的太阳能热量收集系统。太阳能热量收集系统为多种用途提供热量，在这些用途中，所收集的热量被传递到通常消耗热量的吸热器，诸如示出的热力发动机。工作温度将根据用途而变化，并且该系统将被设计成，使得一旦工作温度处于所需的温度(从大约100℃到1400℃或更高温度变化)下，所收集的热量就都被吸热器吸收。
在该实例中，太阳能辐射1在阳光束的太阳光线7中被太阳能集中器2反射，并在抛物面集中器2的焦点处被聚焦在腔体11中的目标8上。目标8包括围绕抛物面太阳能集中器2的主轴9对称设置的多个金属管3，以拦截光锥。为了减少热对流损失，石英窗口5盖住目标8。冷却剂流过管3，以去除由于管3上的辐射吸收所产生的热量，并将该热量通过传导传递到热力发电机4。
在该实例中，由热力发电机转换的机械能通过轴10传递到发电机6，该发电机将机械能转换成电能。在该实例中，通过使多个火球图像在管状热交换结构上倾斜，入射在目标8上的通量分布符合图3所示的环状，以努力将太阳能通量密度水平降低到热交换设计限制的水平。在图4中，曲线W图示出由图3的叠合倾斜火球图像造成的在目标8处的最终径向通量分布。如图3所示，目标中间的近似圆形部分基本上不暴露于太阳光线7。因此，通过增加辐射状目标面积，而减少太阳光线7在目标8上的浓度。
太阳能浓度通常以“suns”单位来测量。一个sun表示入射在垂直于太阳的单位面积上的能量，大约1000瓦特每平方米(W/m2)。又例如，当焦点处可能的太阳能浓度大约是5500suns时，热交换管3将不能承受在该浓度下扩散的热量。给出冷却剂的热容和质量流量，以及热交换的热传递参数，则该实例中的最安全的太阳能浓度被限定在大约877suns或877000W/m2。为了降低太阳能浓度，例如通过使抛物面集中器2倾斜而设置机构，从而更大的面积被照射，并因此减少了太阳能浓度，以使所需的热传递有效，同时将交换器的温度保持在设计限度内。
但是，增大目标尺寸也增加了在给定温度处的辐射损失，并降低了太阳能收集器的效率。如图5所示，由于目标二次辐射造成的发射率为1.0的能量损失值基本上受处理温度和目标辐射面积的影响。在图1和图2中的以上实例中，目标8的直径为大约15英寸，而在大约177平方英寸的目标面积(包括目标中间的基本上未暴露于太阳光线7的圆形部分)上的太阳能浓度为877suns。通过重新布置抛物面太阳能集中器2，以将单个火球集中在焦点处，目标可以具有大约6英寸的直径，从而在焦点处的大约28平方英寸的目标面积上的太阳能浓度为5500suns。因此，目标面积减小了大约6.25倍，并且对应的浓度增加了6.25倍。
如图5所示，通过将目标尺寸从15英寸减小到6英寸，处理工作温度为850℃处的辐射损失可以从13％降低到2％。如图5所示，当工作温度升高时，对于更大目标的辐射损失显著增加，同时对于更小目标的辐射损失增加要少得多。这些数据是与所示温度处的任何黑体太阳能接收器设计相一致的热力学的事实。但是，当实际设立这种小直径的收集器时，更高的太阳能浓度存在问题。
图6示出了本发明的用于从太阳能集中器收集热量并将所收集的热量传递到吸热器的装置的实施例。所示实施例中的吸热器是在设计上与图1和图2类似的斯特林(Sterling)发动机驱动型发电机，具有本发明的收集装置。这里，取代倾斜的集中器，由抛物面太阳能集中器2集中的太阳能辐射1在位于细长腔体13的入口处被强烈地聚焦成单个火球图像。此时，太阳能浓度最大，而目标的直径、腔体13的入口最小。在图4中，曲线S图示出具有单个火球图像的目标8处的最终径向通量分布。
腔体13的入口是圆形的，具有的直径基本上等于太阳能收集器2的聚焦直径。定向腔体13，使得圆形入口位于太阳能收集器2的焦点处并基本上垂直于太阳能集中器2的主轴9，并使得腔体13的轴线基本上与主轴9对齐。
腔体13被限定在由不锈钢等制成的等温体12中。腔体13以金属衬里32做衬里，诸如在化学还原状态中呈现良好的反射率以及极好的导热性的铜。可替换地，等温体12可以全部由化学可还原和导热的材料构造，诸如但不限于铜。在任何情况下，腔体13具有反射壁，使得接触壁的太阳光线7基本上被反射。光束在腔体13内的多次反射将来自太阳光线的能量转换成腔体13壁中的热量，该热量通过传导被传递到等温体12，增加了等温体的温度并使得该热能可用于吸热过程。
通过将接触反射壁的太阳光线7从反射壁上的第一接触点反射到反射壁上的第二点，以及反射到反射壁上的多个随后的接触点，接收器的有效面积从腔体的入口面积增加到腔体的壁面积。由于腔体相比于腔体入口是细长的，所以从壁反射到壁然后在被吸收之前通过入口射出的太阳光线的比例很小。
通过增加腔体的长度，所吸收的太阳能的比例可以增加。全部吸收光束是不现实的，但是如果反射腔体13的长度为腔体入口直径的大约5至9倍，则腔体的长度通常将足以吸收进入腔体的期望比例的太阳光线。测试示出了以最小的黑体面积实现黑体吸收体的非常好的近似，其中，反射腔体13的长度为腔体入口直径的大约7倍。通过这种结构，大约95％的太阳能被吸收。
增加腔体13的长度将增加所吸收的太阳光线的比例，但也增加了等温体12的长度。由于等温体12的尺寸增加，来自等温体的导热损失也增加，并且通过经由等温体12扩大的表面面积的传导损失补偿了辐射减少中的增益。由于大部分的光线将被腔体13反射出来并损失，因此减小腔体13的长度将造成太阳光线7中被吸收的能量的比例减少。
对于已暴露金属部件的化学还原，腔体13保证降低的局部温度，如果氧化，这些金属部件的反射率将降低，从而降低了装置的有效性。
图10和图11示出了本发明的等温体12和腔体13，不包括任何热量除去装置，其中通过腔体13的入口20跟踪太阳光线7的单个光程，并且该光程碰到腔体13的反射壁。该实例中的太阳光线7或光子在最终被腔体壁吸收之前经历了多次反射，其中太阳光线的能量被传递到等温体12，从而增加了其内部能量或温度。图10和图11中光子遵循的路径仅为为了示例目的而示出的可能路径的万分之一。以入射在腔体入口处的高斯光束轮廓聚焦的光能将在其中均匀分布有热量的腔体内遵循每一个可能的路径。
当等温体12的温度升高时，暴露面14将根据其发射率和面积放射有利于整个寄生损失的能量。因此以下是有利的，即构造类似可还原材料(诸如铜)的挡板30，如图6至图9所示，以覆盖等温体12的位于腔体入口与等温体外缘之间的该面暴露面或任何暴露面，通过降低表面发射率而努力降低热辐射损失。可以使用化学可还原和类似的挡板在处理温度覆盖任何暴露面。
图7示出了用于热处理的蒸汽或工作流体的过热布置。以上描述的太阳能由多个内部腔体反射和吸收机构吸收，用来将等温体12加热到所需的处理温度。工作流体进入18处的接收器并通过通路17循环流通，通路对称地位于等温体12中，工作流体吸收来自等温体的能量并在19处排出到所需的过程。
在图6至图9的实施例中，设置有封闭外壳16，用来容纳还原空气15以及任何所需的绝缘介质。窗口5允许太阳能辐射进入到反射腔体13，并且还为外壳16提供了气封。外壳16充填有还原空气(诸如5％的氢气)，并平衡在工作温度下不活跃的充填气体。由于氮气便宜且在较高的工作温度下不活跃，所以氮气是很好的选择。也可以使用诸如氩气等的其它惰性气体。还原空气使可还原金属(例如，无氧高导电性(OFHC)铜或其它类似的金属化合物)保证其所需的金属形式。在这种状态下，反射腔体13的衬里32的反射表面以及挡板30保持低发射率，从而实现它们在本发明中的功能。
为了降低热损失，容纳有还原气体的外壳16是绝缘的。
在图6至图9中，由于太阳能辐射加热腔体13，形成腔体13的金属壁的金属腔体衬里32的热膨胀造成抵制等温体12内壁的高压缩力。这些部件之间的亲密接触降低了衬里32与等温体12之间的金属边界的热阻，提高了向热接收等温体12的热传递，通过使腔体衬里和接收组件基本上等温，增大了腔体的最大额定通量密度。
图8和图9示出了热化学太阳能反应器，其中，集中的太阳光线7通过石英窗口5进入气封外壳16，通过多次腔体反射，太阳光线7的能量被等温体12吸收并转换成热量。反应气体被准许进入供应线22和预热通道24。退出预热通道24的热反应物进入等温体内的反应床25，反应床中发生催化吸热反应。这些实例中的产物在管23处退出等温体。
图6至图9所示实例的其它实施例将包括由可还原金属或陶瓷构成的固态等温体，从而不需要反射腔体衬里或挡板。抑制这些关键部件氧化的其它方式(诸如其它还原气体或改变预定气体的集中)在本发明的范围内实施。
本发明的装置适合于与更高的工作温度使用，其中，辐射损失表示所收集太阳能的大部分。在较低的工作温度下，辐射损失不太大，并且该装置的使用通常将不提供显著的益处。
因此，上述仅作为本发明原理的示例而考虑。而且，由于各种改变和修改对本领域技术人员来说很显然，所以不希望将本发明限制在示出和描述的精确构造和操作上，因此，在结构或操作上的所有这些适当的改变或修改将落在本发明要求保护的范围内。

Claims (19)

1.一种用于从太阳能集中器收集热量并将所收集的热量传递到吸热器的装置，所述装置包括：
等温体，其限定了具有圆形入口的细长腔体，所述圆形入口具有的直径等于所述太阳能收集器的聚焦直径，所述腔体具有反射壁，使得接触所述壁的太阳光线被反射；
其中，所述等温体适于定向成使得所述圆形入口位于所述太阳能收集器的焦点处且垂直于所述太阳能集中器的主轴，并且使得所述腔体的轴线与所述太阳能集中器的主轴对齐；
其中，所述等温体适于热连接至所述吸热器，使得所述等温体中产生的热量被所述吸热器吸收；以及
其中，所述腔体的长度足以吸收进入所述腔体的太阳光线中所需比例的能量，所述腔体的长度为所述圆形入口直径的5至9倍。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，进入所述腔体的太阳光线中被吸收的能量的比例随着所述腔体长度的增加而增加。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述腔体的长度为所述圆形入口直径的6.5倍至7.5倍之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述腔体是圆柱形的。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述等温体由反射材料制成，使得所述腔体的壁能够反射。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，包括反射材料制成的衬里，位于所述等温体与所述腔体之间，并有效地提供所述腔体的所述反射壁。
7.根据权利要求6所述的装置，进一步包括化学可还原挡板，用于覆盖所述等温体的位于所述腔体入口与所述等温体外缘之间的端部。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，进一步包括包围所述等温体的外壳，并且所述外壳内部的还原空气可有效地防止所述腔体的所述反射壁的氧化，从而保证所述反射壁的反射率。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述反射壁包括OFHC铜，并且其中，所述还原空气包含氢气和充填气体。
10.根据权利要求8所述的装置，进一步包括位于所述外壳的壁中的绝缘体。
11.一种用于从太阳收集热量并将所收集的热量传递到吸热器的装置，所述装置包括：
太阳能集中器；
等温体，其限定了具有圆形入口的细长圆柱形的腔体，所述圆形入口具有的直径等于所述太阳能收集器的聚焦直径，所述腔体具有反射壁，使得接触所述壁的太阳光线被反射；
其中，所述等温体定向成使得所述圆形入口位于所述太阳能收集器的焦点处且垂直于所述太阳能集中器的主轴，并且使得所述腔体的轴线与所述太阳能集中器的主轴对齐；
其中，所述等温体适于热连接至所述吸热器，使得所述等温体中产生的热量被所述吸热器吸收；以及
其中，所述腔体的长度为所述圆形入口直径的5至9倍。
12.根据权利要求11所述的装置，进一步包括化学可还原挡板，用于覆盖所述等温体的位于所述腔体入口与所述等温体外缘之间的端部。
13.根据权利要求11或12所述的装置，进一步包括包围所述等温体的外壳，并且所述外壳内部的还原空气可有效地防止所述腔体的所述反射壁的氧化，从而保证所述反射壁的反射率。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述反射壁包括OFHC铜，并且其中，所述还原空气包含氢气和充填气体。
15.一种用于从太阳能集中器收集热量以传递到吸热器的方法，所述方法包括：
提供等温体，所述等温体限定了具有圆形入口的细长腔体，所述圆形入口具有的直径等于所述太阳能收集器的聚焦直径，所述腔体具有反射壁，使得接触所述壁的太阳光线被反射；
定向所述等温体，使得所述圆形入口位于所述太阳能收集器的焦点处且垂直于所述太阳能集中器的主轴，并且使得所述腔体的轴线与所述太阳能集中器的主轴对齐，其中，所述腔体的长度为所述圆形入口直径的5至9倍；
将接触反射壁的太阳光线从所述反射壁上的第一接触点反射到反射壁上的第二点，以及反射到所述反射壁上的多个随后的接触点，直到所述太阳光线中所含有的所需比例的能量被所述反射壁吸收；
将所述吸热器热连接至所述等温体，使得所述等温体中由所吸收太阳光线能量产生的热量被所述吸热器吸收。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，进入所述腔体的所述太阳光线中被吸收的能量的比例随着所述腔体长度的增加而增加。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，所述腔体是圆柱形的。
18.根据权利要求15或16所述的方法，包括：将所述等温体包围在外壳中；以及在所述外壳内部提供还原空气，所述还原空气可有效地防止所述腔体的所述反射壁的氧化，从而保证所述反射壁的反射率。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述反射壁包括OFHC铜，并且其中，所述还原空气包含氢气和充填气体。
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