CN101802511A - 集成的太阳能接收器-存储器单元 - Google Patents

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Abstract

提供了用于太阳能收集器系统和太阳能发电站的接收器。所述接收器(400)包括用于将吸收的太阳能转变为热能的太阳辐射吸收芯(414)。所述芯(414)包括耐高温材料以允许所述接收器连续操作在由于吸收会聚的太阳辐射而导致的高温下。在所述芯中如此产生的热能被存储在所述接收器中短暂的周期或更长的周期。接收器(400)包括在所述芯中和/或围绕所述芯的一个或多个流体通道(415)，用于传导工作流体以助于从所述芯提取存储的热能。

Description

集成的太阳能接收器-存储器单元
相关申请的交叉引用
本申请要求在2007年6月6日提交的题目为“Integrated Solar EnergyReceiver-Storage Unit”的美国临时专利申请No.60/933,620的优先权，并通过引用将其全部内容并入到本文。该申请与同时提交的题目为“Combined Cycle Power Plant”的美国申请有关，该美国申请要求在2007年6月6日提交的题目为“Combined Cycle Power Plant”的美国临时专利申请No.60/933,619的优先权，在此通过引用将其每一个的全部内容并入到本文。
技术领域
本申请涉及用于太阳能系统的接收器，以及具体地，涉及集成的太阳能接收器-热能存储器单元。这里公开的接收器和集成单元适宜于从定日镜型反射器的场接收经会聚的太阳辐射。接收器(例如，集成的接收器-热能存储器单元)在其一些应用中作用为塔式安装的接收器或以其他方式被抬高。在其他应用中，例如作为二级接收器时，接收器(例如，集成的接收器-热能存储器单元)安装在塔以外的地方，例如，在地面上或邻近地面。
背景技术
塔式安装的接收器在太阳能收集器系统领域中是公知的，并且依赖于它是用于例如将发射能量传送到光伏电池还是用于将热能传送到热交换流体(例如，水、熔化的盐或空气)而具有各种形式。
更有效率的塔式安装的接收器纳入有一个腔，该腔具有相对小的孔径，通过该孔径聚焦来自反射器场的会聚(反射的)的辐射，在与本申请有关的接收器中，为传送由于在腔壁中吸收太阳能而在接收器内产生的热能进行准备。然而，这些接收器却没有为通过吸收太阳能而在接收器中产生的热能的集成存储作专门准备。
在1989年3月28日发布并转让给Rockwell International Corporation的美国专利No.4,815,443(‘443专利)公开了一种太阳能接收器，其确实提供了集成热能存储器。然而，在‘443专利中公开的接收器却专门用于空间站。其中，该接收器包括位于接收器的腔内的第一(螺旋状)流体导管，和位于由围绕该腔的金属材料形成的热能存储层内的第二流体导管。第一导管和热能存储层在日射时期都被暴露到太阳能辐射，该太阳能辐射被聚焦到腔中。在这些日照(in-sun)周期中，第一热交换流体通过第一导管循环。在无日照(in-shadow)周期期间，第二热交换流体通过第二导管循环。然后，交替地使用第一和第二热交换流体与用于为相关的热机供应能量的工作流体进行热交换。
此外，在Larkden Pty Ltd的国际专利公开WO2005/088218中公开了与本发明相关的热能存储系统，其中，采用基本上是固体的石墨来存储热能，以便随后将热能通过表面安装的热交换器释放到流体。然而，在该系统中，如所公开的，通过在石墨体内的腔中的电阻加热来在石墨体中产生热能。
需要用于塔式太阳能阵列(例如，多塔太阳能阵列)的改善的接收器，特别是，包括集成的热能存储器的接收器。
发明内容
本申请描述了用于太阳能收集器系统和太阳能发电站的接收器。通常，所述接收器包括太阳辐射吸收芯，用于将吸收的太阳辐射转变为热能。芯包括耐高温材料，从而允许接收器在通过吸收会聚的太阳辐射而达到的高温下连续操作。如此在芯中产生的热能可以在接收器中存储短的周期或更长的周期。因此，接收器可以作为集成的接收器-热能存储器单元，并且在这里术语“接收器”和“集成的接收器-热能存储器单元”以及“集成的接收器-存储器单元”可以互换使用。采用例如空气的工作流体从接收器提取存储的热能。
这里还公开了与上述一般性术语描述的接收器有关的方法和系统。例如，这里公开了利用接收器进行热交换的方法。此外，还公开了各种并入了接收器的太阳能收集器系统。并且，还描述了使用上述接收器的各种太阳能发电站。
术语“耐高温材料”在本发明中应被理解为基本上对于太阳辐射是不透明的并当暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度(例如，约800℃到约2500℃、或约800℃到约3000℃的量级，例如至少约800℃、至少约1000℃、至少约1200℃、至少约1400℃、至少约1600℃、至少约1800℃、至少约2000℃、至少约2200℃、或至少约2500℃)时基本上保持(物理上和/或化学上的)稳定。这样的“耐高温材料”例如包括耐高温金属、陶瓷、金属陶瓷或其任何组合。耐高温材料例如包括：氧化铝、硅石、碳、氧化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、石墨、铬铁矿、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。
如这里所使用的，术语“主要地”和“主要部分”意义为至少约50％，因此，主要由耐高温材料构成的接收器部件包括以任何方式测量(例如，体积或重量)的至少约50％的耐高温材料。这里使用的术语“管”意义为包括任何管道、导管等等。管可具有任何配置，例如，具有圆的截面形状或多边形截面形状，可以是直的、弯曲的或曲线的，并可以接合其他的管、阀门、端盖、接头、线管等等。这里使用的“管线”的意义为指代多个管的布置，包括任何相关联的管接点、阀门、端盖、接头等等。“接收器主体”和“主体”表示包括太阳辐射吸收耐高温材料的接收器的一部分。在一些情况下，耐高温材料主要包含在或限制在主体的子部分中，例如内部子部分，在这里将其称为“接收器芯”或“芯”。在其他情况下，耐高温材料可以不局限于主体内(例如主体整体包括耐高温材料)，在该情况下接收器主体和接收器芯同义。这里使用的“竖直”和“水平”是相对地面而言的。此外，诸如“基本上水平”、“基本上竖直”、“基本上不透明”以及“基本上稳定”等等的描述意义为包括与其相关的特性和较小的偏差，例如约10％或约5％或更小的偏差。因此，“基本上水平”的孔径为大体平行于地面，例如，在相对于地面的水平方向的约+/-10度或更小内，在约+/-8度内，在约+/-5度内、在约+/-3度内或在约+/-1度内。保持“基本上稳定”的材料为这样的材料，其没有暴露到会过早地劣化材料的条件下。例如，如果保持在通常可接受的操作温度内或低于例如发生碎裂或其他表面和/或内部损伤的温度，陶瓷或其他材料将基本上保持稳定。应该注意，除非上下文具体指出，术语“一”、“一个”和“该”包括单个也包括多个。这里使用的数值范围包括范围的端点以及范围中的任何数值。
接收器的一些变体包括主要由耐高温材料构成的芯。芯被配置为吸收已导引通过接收器中的孔径的太阳辐射，以便将吸收的太阳辐射转变为在芯中存储的热能。芯还包括一个或多个流体通路，用于传送工作流体通过芯和/或围绕芯以有助于从芯提取存储的热能。例如，对于包含束向下的接收器配置的太阳能阵列，这些接收器可以是塔式安装的或安装在地面上或接近地面。用于这些接收器的工作流体例如主要包括空气。
在接收器中的耐高温材料为任何耐高温材料，只要其基本上对于太阳辐射是不透明的，并当暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度时基本上保持稳定。耐高温材料可选自耐高温金属、陶瓷以及金属陶瓷。一些耐高温材料能够禁受在至少约1000℃、或至少约1200℃或更高的温度下的持续操作。接收器中的耐高温材料包括多于一种的耐高温成分。在接收器中使用的耐高温材料选自氧化铝、硅石、碳、氧化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、石墨、铬铁矿、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。
用于接收和吸收导引通过接收器孔径的太阳辐射的芯的入射表面可在接收器主体内具有任何适宜的取向和配置。因此，在一些变体中，芯的入射表面基本上是水平的。在一些接收器中的芯的入射表面基本上是竖直的。一些接收器芯包括基本上水平的入射表面和基本上竖直的入射表面两者。具有倾斜孔径的接收器也可以是倾斜的以便大体上平行于接收器孔径。
此外，太阳辐射吸收耐高温芯的块体具有各种配置。例如，芯可包括外部覆盖层，该覆盖层在一些情况下保护在其之下的耐高温芯的内部部分。此外，芯中的一个或多个通路具有各种布置。例如，一个或多个通路可从芯的内部部分放射状地向外导引到芯的外围部分。在一些变体中，芯包括聚集的材料，并且该聚集的材料具有的颗粒尺寸和填充密度可以使工作流体能够渗透通过聚集物的填隙空位之间的通路。芯的变体包括可通过芯分布热的一种或多种金属结构，例如，网孔径或鳍片。
孔径可以设置在接收器的任何位置，例如，在接收器壳中或在芯自身中。在被设计为塔式安装的接收器的一些变体中，孔径为位于接收器的下表面上的基本上水平取向的孔径，以便包括接收器的向下的开口。这样的布置可以减小通过孔径的对流损失，并消除对于昂贵的石英窗口的需要，还消除了由这样的窗口所导致的损耗。然而，在一些变体中，窗口，例如，石英窗口可覆盖或部分覆盖孔径。
在一些变体中，调整太阳辐射被导引通过的孔径与芯之间的距离，以确定入射在芯上的太阳辐射的能量密度或强度。例如，可以调整孔径与芯之间的距离以增加接收器的能量收集效率。在一些变体中，可以选择孔径与芯之间的距离以成像将太阳辐射导引通过孔径的反射器的阵列。
这里还公开了其他类型的接收器。这些接收器是塔式安装的。这些接收器包括位于主体的下表面上的基本上水平取向的孔径以包括向下的开口。接收器还包括由耐高温材料构成的太阳辐射吸收芯。芯被设置在主体内和孔径之上，使得导引通过孔径的太阳辐射入射在芯上以在芯中进行块体吸收，从而在芯中产生存储的热能。这些塔式安装的接收器的一些变体包括在芯中和/或围绕芯的至少一个通路，用于传导工作流体(例如，主要包括空气的工作流体)有助于从芯提取热能。可以用但不必须用窗口(例如，石英窗口)来至少部分覆盖孔径。
耐高温芯包括任何适宜的成分。例如，在一些变体中，芯主要由这样的折射材料构成，即，对于太阳辐射基本上是不透明的，并当暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度时基本上保持稳定。耐高温材料选自耐高温金属、陶瓷以及金属陶瓷。耐高温材料例如能够禁受至少约1000℃、或至少约1200℃或更高的温度下的持续操作。在这些接收器中的耐高温材料包括多于一种的耐高温成分。
芯具有各种配置。例如，在一些变体中，被设计为接收和吸收入射的太阳辐射的芯的入射表面是基本上水平的。在其他变体中，芯的入射表面是基本上竖直的。此外，调整芯的入射表面之间的距离，例如，以调整芯上的太阳辐射能量密度或强度，和/或增加接收器的能量收集效率。在一些变体中，选择孔径与芯的基本上水平的入射表面之间的偏移以成像或近似成像将反射的太阳辐射导引通过孔径的反射器的阵列。
太阳辐射吸收芯自身具有各种配置，并例如包括外部覆盖层，该覆盖层在一些情况下保护在其之下的芯的内部部分。此外，如果芯包括配置用于传导工作流体通过芯和/或围绕芯的一个或多个通路，该一个或多个通路具有各种布置。例如，一个或多个通路可以从芯的内部部分放射状地向外导引到芯的周边部分。芯包括聚集物，并且芯中的一个或多个流体通路包括在聚集物的颗粒之间的互连的填隙空隙。在一些情况下，芯包括在操作时通过芯分布热的一种或多种金属结构，例如，网孔或鳍片。
这里描述了用于太阳能收集器系统的接收器-存储器单元(接收器)的其他变体。这些接收器包括至少其体积的主要部分由耐高温材料构成的主体；以及腔，其提供在所述主体内并具有孔径，使用会聚的太阳辐射进行聚焦以通过所述孔径入射在所述腔的壁上；以及至少一个通路，位于所述主体内，用于传导工作流体并有助于从所述主体提取热能。
这里还描述了用于进行能量交换以从太阳能产生热能的方法。这些方法的一些变体包括将会聚的太阳辐射导引通过接收器孔径，使得太阳辐射入射在接收器芯上，其中芯主要由能够吸收太阳辐射产生热能的耐高温材料构成。该方法还包括通过使工作流体通过芯中和/或围绕芯的一个或多个通路而将热能从芯传递到工作流体。该方法包括将会聚的太阳辐射导引通过孔径而入射在芯上，使得芯达到约1000℃或更高、或约1200℃或更高的连续操作温度。例如，用于这些方法的工作流体主要包括空气。
方法包括使工作流体通过各种配置的通路中的任何一个。例如，方法可包括使工作流体流动通过从芯的内部区域放射状地向外导引到芯的周边区域的一个或多个通路，或一个或多个通过芯的蛇形或螺旋通路。在一些方法中，芯包括聚集物，并且方法包括使工作流体流动通过包含聚集物中的互连的填隙间隔的一个或多个通路。
这些方法可用于塔式安装的接收器、或地面安装或邻近地面安装的接收器，例如，以束向下布置配置的太阳阵列中的接收器。对于塔式安装的或地面安装的接收器中的任一种，可以调整孔径的截面尺寸和/或孔径与芯的入射表面之间偏移，用以例如调整芯上的能量密度或强度和/或增加接收器的收集效率。例如，本方法包括会聚和导引太阳辐射通过孔径，使得最大能量密度或强度的点出现在孔径处或在孔径之前，例如使得当太阳辐射入射在芯上时相对分散且不十分强烈，从而减轻局部过热。
在一些变体中，方法可以包括将会聚的太阳辐射导引入射在芯的基本上水平的表面上，或入射在芯的基本上竖直的表面上，或同时入射在芯的基本上水平的表面和芯的基本上垂直的表面上。方法中的一些包括在芯的基本上水平的入射表面上成像或大体成像反射器的阵列，其中反射器的阵列用于将太阳辐射导引通过接收器的孔径而入射在该基本上水平的芯表面上。
在各方法中，可以采用任意类型的反射器阵列来将会聚的太阳辐射导引通过孔径而使其入射在芯上。例如，可以使用包括固定水平轴和/或固定竖直轴定日镜的阵列。
这里还公开了用于进行能量交换的附加的方法。这些方法包括将会聚的太阳辐射导引通过在塔式安装的接收器的主体的下部中的基本上水平取向的孔径，使得太阳辐射入射在设置在主体内的芯上并被其吸收，从而在芯中产生热能。该方法还包括将热能从芯传递到工作流体，例如，主要包括空气的工作流体。
该方法包括通过使工作流体流动通过在芯中和/或围绕芯的一个或多个流体通路而将热能从芯传递到工作流体。这样的通路具有各种配置。例如，一个或多个通路在芯的内部部分与芯的周边部分之间放射状地导引，或为通过芯的蛇形通路。在一些变体中，芯包括聚集物，并且该方法包括使工作流体流动通过一个或多个通路，所述一个或多个通路包括在聚集物中的互连的填隙空隙。
此外，该方法可包括调整孔径与芯的入射表面之间的偏移以调整芯上的能量密度或强度和/或接收器的效率。
提供了用于进行能量交换的方法的附加的变体。这些方法包括将会聚的太阳辐射从一个或多个反射器场内的反射器导引到接收器主体内的开孔的腔中。主体的体积的主要部分由耐高温材料构成，其中，通过辐射能量的块体吸收产生热能。主体还具有位于其内的至少一个通路。本方法还包括通过使工作流体通过主体内的一个或多个通路将热能传递到工作流体。
还公开了太阳能收集器系统的变体。通常，太阳能收集器系统包括配置为将入射太阳辐射导引到这里描述的一个或多个接收器的反射器的阵列，以及配置为包含第一工作流体的管线。在操作时，管线传导已经从一个或多个接收器提取了存储的热能的第一工作流体，使得可以使用加热的第一工作流体用于产生电能。第一工作流体为任何适宜的工作流体，但在一些情况下，第一工作流体主要包括空气。在这些系统中，反射器为任何适宜的反射器，但在一些情况下，反射器具有包含固定的水平轴的一个或多个双轴定日镜和/或包含固定的竖直轴的一个或多个双轴定日镜。这些反射器被配置为阵列形式的塔式安装的接收器，或例如利用束向下配置以阵列的形式将接收器安装在地面或邻近地面。
一些太阳能收集器系统包括多于一个的接收器。在这些系统中，接收器彼此相同或不同。在太阳能收集器系统中存在多于一个的接收器时，至少一个反射器，例如，定日镜被配置为是枢转的，以便将入射的太阳辐射导引到多个接收器中的任一个(例如，根据太阳的位置和/或季节条件)。
一些太阳能收集器系统包括热交换器，其中热交换器被配置为将包含在第一工作流体中的热能传递到第二工作流体。任何适宜的工作流体可以用作这些系统中的第一工作流体和第二工作流体。例如，第一工作流体可主要包括空气，并且第二工作流体可包括蒸汽、水和/或蒸汽/水混合物。
这里提供了发电站的变体。通常，发电站包括一个或多个第一或“顶”热动力循环热机(例如，布雷顿循环热机)，其中使用这里描述的接收器加热压缩的工作流体，使得加热的压缩的流体膨胀以产生电能。即，电站具有配置为压缩第一工作流体的第一压缩机，配置为加热压缩的工作流体的第一加热台，以及配置为膨胀压缩的加热的工作流体以驱动发电机的第一涡轮机。在这些电站中，第一加热台包括至少一个这里描述的太阳能接收器。因此，一些电站包括接收器，该接收器包括会聚的太阳辐射所导引通过的孔径和包含耐高温材料的芯，其中芯吸收入射的太阳辐射以在其中产生存储的热能。然后，在芯中存储的热能用于加热压缩的第一工作流体。第一工作流体可以为任何适宜的工作流体，但在一些情况下，主要包括空气。
在这些电站中使用的接收器被配置为是塔式安装的接收器，或被安装在地面或邻近地面。在接收器是塔式安装的情况下，电站包括反射器(例如，定日镜)的阵列，其将太阳辐射导引到塔式安装的接收器以加热压缩的工作流体。在接收器被安装在地面或邻近地面的情况下，电站包括将太阳辐射导引到升高的反射器的定日镜阵列，该升高的反射器又将太阳辐射向下重新导引到接收器。
可以这样安装接收器，使得外表面和例如基本上的平坦的芯表面每一个都是水平的，或接收器被定位为外表面是倾斜的并以这样的方式面朝下方的太阳场，即，使得太阳辐射从塔的一侧全部或部分地导引通过孔径并入射在芯上。
接收器被配置为使得来自反射器场的束在邻近孔径时会聚到其最小尺寸，并且接收器的芯充分远离所述孔径以减小入射光强度，使得芯材料的峰值温度在该材料的正常操作范围内，并且芯材料基本上保持物理和化学稳定。束可以在芯上例如在芯的基本上平坦的表面上形成像，这类似于由诸如针孔照相机的照相机形成的像。只要芯的表面相对于反射器场不是成角度的和/或弯曲的，从而使得反射器场的近似像形成在芯上，像强度便是基本上均匀的，并且像没有歪斜或变形到像的一部分的峰值强度会产生“热点”的程度，其中“热点”显著超过了该材料正常的操作温度范围中的最高温度。
这些电站中的一些电站包括一个或多个第二或“底”热动力循环热机，其中第二循环热机利用从经历了膨胀之后的第一工作流体重获的废热能来加热为第二循环热机供能的第二工作流体。第二工作流体为任何适宜的工作流体，但在一些情况下，包括蒸汽、水和/或水/蒸汽混合物。第二循环可以为兰金循环。可以使用任何类型的兰金循环热机，例如这样的兰金循环，其中第二工作流体被压缩，并由从经历了膨胀之后的第一工作流体重获的废能加热，然后，第二工作流体通过一个或多个涡轮机膨胀以驱动发电机。
下列描述提供了用于太阳能收集器系统和发电站的接收器-存储器单元的示例性实施例。参照附图提供了这些描述。
附图说明
通过下列对用于太阳能收集器系统的接收器-存储器单元的示例性实施例的描述，将可以更全面地理解本发明，其中通过参考示意性附图给出该描述。
图1示出了包括耐高温芯的接收器的实例；
图2示出了位于外围室(surrounding chamber)内的接收器-存储器单元的另一实施例的截面正视图；
图3A和3B示出了接收器的实例的截面透视图，每一个接收器均包括向下开口、水平取向的孔径；
图4示出了接收器的另一实施例的截面正视图；
图5示出了接收器的另一实施例的截面正视图；
图6示出了接收器的又一实施例的截面正视图；
图7示出了其中芯包括微粒材料的接收器的变体的截面正视图；
图8示例了接收器-存储器单元的实例，其包括与接收器的太阳辐射吸收芯热接触的热交换机；
图9示例了接收器的变体，其中，可以改变太阳辐射吸收芯与接收器主体中的孔径之间的偏移(displacement)；
图10示出了具有孔径和芯的接收器；
图11示例了邻近定日镜场设置的塔式安装的接收器-存储器单元的实例；
图12是发电系统的示意性表示，其被配置为以准等温布雷顿循环操作并且并入了这里所描述的类型的接收器-存储器单元；
图13是组合的循环发电系统的示意性表示，其并入了这里所描述的类型的接收器-存储器单元。
具体实施方式
本申请公开了用于太阳能收集器系统的接收器。通常，接收器包括用于将吸收的辐射转变为热能的太阳辐射吸收芯或主体。太阳辐射吸收芯包括能够在吸收会聚的太阳辐射而导致的高温下连续操作的耐高温材料。然后，芯以下列周期暂时存储如此产生的热能，例如，小于约15分钟的短暂的周期，或约15分钟或更长、约1小时或更长、或几小时的延长的更长的周期。可以采用工作流体(例如，主要包括空气的流体，诸如环境空气)从接收器提取存储的热能。由此，在一些情况下，接收器用作集成的接收器-热能存储器单元。在这里还提供了与接收器有关的方法和系统，例如，利用接收器进行热交换的方法。此外，还描述了并入了该接收器的各种太阳能收集器系统和太阳能驱动的发电厂。
应该注意，任何的接收器可以与上述方法、太阳能收集系统、或发电场中的任何一种结合使用，并且太阳能收集系统的一个或多个方面或特征可以与发电厂的一个或多个方面或特征相结合。
这里公开了包括太阳辐射吸收主体或芯的接收器的几种变体。如上所述，芯包括耐高温材料。在一些实例中，芯主要由一种或多种耐高温材料构成。接收器包括例如位于接收器壳体中或芯自身中的孔径以控制照射区域、照射表面、和/或在芯上的照射的能量密度或强度。接收器的变体可以是塔式安装的(或通过山、建筑、墙等等升高高度)以用于例如塔太阳能阵列(例如，多塔太阳能阵列)，使得太阳辐射总体上向上导引通过孔径而入射到太阳辐射吸收芯上。在某些变体中，在地面上或邻近地面安装接收器，以例如用于配置为束向下操作的太阳阵列，使得太阳辐射总体上向下导引通过孔径而入射到芯上。在某些变体中，接收器可以在水平与竖直之间倾斜面向下方的太阳场，使得太阳辐射通过孔径从塔的一侧完全或部分地导引以入射在芯上。
在太阳能收集器系统中，通过在一个或多个反射器场内的反射器(例如，定日镜)将太阳辐射导引通过接收器孔径而入射在太阳辐射吸收接收器芯上。通过块体吸收和/或在芯表面处的辐射能量吸收，或通过在芯介质的表面上的腔或沟道结构中的吸收，在接收器的主体中产生热能。在一些变体中，热能被传递到工作流体，例如，通过在主体或芯内和/或围绕主体或芯的一个或多个流体通路流通的工作流体。热能到工作流体的传递可以在主体或芯中产生和存储能量的同时，或可选地在主体或芯中存储热能的过渡周期之后。因此，可以采用接收器来解决例如由低日照周期所导致的入射到接收器主体中的太阳能的瞬时损失或减小。
依赖于采用的耐高温材料，在一些情况下，例如通过模制或其他相似的方法将接收器主体或芯形成为具有或不具有粘合材料的基本上固体的整体(unitary)的主体。例如，可以铸造然后烧制耐高温材料以形成可以装配到块状基体(block-like matrix)中的希望的尺寸和形状。可选地或附加地，可以用包括一种或多种耐高温材料的接合的块(例如，包括氧化铝的接合的块)来构建一些接收器主体或芯。主体可被切割，或者以其他方式加工或处理以形成希望的尺寸、形状和/或配置。
作为另一形式的构建，接收器的一些变体可以包括包含微粒耐高温材料(例如，主要由微粒耐高温材料构成)的芯。这样的微粒耐高温材料包括这里描述的或其他已知的任何耐高温材料，并且在某些情况下包括多于一种的耐高温材料。例如，耐高温材料包括未接合的导热(矿物)陶制材料例如石英岩。在这样的变体中，包括一种或多种微粒耐高温材料的芯可以位于在壳体或机壳内。例如，接收器可包括一容器，其包含一种或多种微粒耐高温材料，或形式为大块或片的松散耐高温材料的捆扎、岩石、石头、砾石(每一种都可以被压碎或不被压碎)、或更细的颗粒或其任何组合。壳体或机壳自身包括耐高温材料。例如，这样的壳体或机壳可以包括包含耐高温材料的接合的块(例如，包括氧化铝的接合的块)或由其形成。并入到接收器主体的壳体或机壳中的耐高温材料与并入到接收器芯中的耐高温材料可以相同或不同。在某些变体中，可以在接收器芯和/或主体中设置诸如鳍片、网孔或格栅状结构的一种或多种金属结构以促进吸收的热能传播遍及接收器内的流体，和/或促进热能导引到芯或主体的一个或多个特定区域。同样，在一些变体中，例如，在后一形式的构建中，芯被包含在例如金属外壳的外壳中。在芯与外壳之间提供间隔，其中间隔至少部分地填充有隔热材料或没有被填充。
被配置为接收和吸收太阳辐射的接收器芯或接收器主体的入射表面可以具有任何期望的配置，例如，入射表面为基本上平坦或沿轮廓的。如果总体上是平坦的，入射表面可以例如基本上平行于由将太阳辐射接纳到接收器中的孔径所限定的平面，或基本上正交于该孔径限定的平面。在某些变体中，接收器主体或芯包括腔，会聚的太阳辐射被导引到腔中以入射到一个或多个腔壁上。
在一些实施例中，接收器主体或芯的入射表面是基本上未覆盖的，使得在使用接收器时，入射表面被暴露到通过接收器的孔径传送的会聚的太阳辐射。在某些变体中，可选地，入射表面可以覆盖有包括导热材料的保护衬层，该保护衬层例如可以防止下层耐高温材料的烧蚀和/或升华。因此，对于包括太阳辐射导引到其中的腔的这些接收器主体或芯，可以如所述地覆盖一个或多个腔壁。如果存在覆盖层，在某些变体中，覆盖层可以可去除地固定到入射表面(例如，腔的腔壁)。例如，可以在想要更换覆盖层(例如，周期更换或修理)之处，采用这样的可去除的覆盖层。
如果存在，可以以各种方式配置接收器主体或接收器芯中的腔，例如，配置为圆柱形腔、一般的立方形腔，或任何其他类型的多面体形腔。在一些情况下，如此配置腔以引起反射，例如，入射辐射的全内反射。
在孔径不必开口以例如允许空气流入到接收器中(例如，接收器主体中的腔)这些周期中，孔径可选地被窗口封闭或至少部分地由窗口覆盖，例如石英窗口。在一些情况下，希望略去窗口，例如，为了消除由窗口导致的约5％到约10％量级的反射损失。在那种情况下，通过将向下开口的孔径沿基本上水平的取向定位来配置接收器以减小对流热损失。
如上所述，接收器的一些变体包括在接收器主体或芯中和/或围绕接收器主体或芯延伸的一个或多个流体通路。这样的通路，或更通常地，在接收器主体和/或接收器芯中和/或围绕接收器主体和/或接收器芯的通路(如果区别于接收器主体的话)根据具体情况被设置为一般地直线延伸通过主体或芯。可选地，例如，当希望增加工作流体(热交换流体)在主体或芯中的驻留时间时，一个或多个流体通路可以为在接收器主体或芯中或围绕接收器主体或芯的曲线、蛇形或迂回路径。如果接收器主体或芯包括一种或多种微粒耐高温材料，可选地，可以选择颗粒尺寸和/或填充密度以提供通过主体或芯的自然通路；也就是，至少部分地由颗粒之间的互连的空隙所限定的通路。迫使(例如，泵抽或抽吸)工作流体或热交换流体(例如，诸如环境空气的气体)通过一个或多个通路，以便从接收器主体或芯提取存储的热能。热交换流体以各种方式进入一个或多个通路。例如，迫使热交换流体(主要包括空气)进入腔中，腔对于一个或多个流体通路打开。在其他变体中，热交换流体例如经由侧入口或顶入口进入一个或多个通路而不进入腔。
在一个特定的实施例中，在接收器主体中设置多个通路，其中每一个通路(可选地可以包括上述的填隙通路)从内部区域(例如腔)向外放射状地到达主体的外部或周边区域。通过该布置，可以采用环境空气作为热交换流体，并抽吸或迫使环境空气通过腔、通过放射状通路而进入到收集室等等。然后，产生的加热空气可以用作为工作流体或用于将热能传递到(其他的)工作流体，例如，水、蒸汽、或水和蒸汽的混合物。
当如上所述使用气态工作流体(例如，主要包括空气(例如环境空气)的工作流体)来从太阳辐射吸收芯或主体提取存储的热能时，可选地，接收器可插入在压缩机涡轮与涡轮发电机之间，其中压缩机用来迫使压缩气体(例如，空气)进入到接收器，涡轮发电机由通过接收器的主体或芯的高温高压空气来驱动。因此，集成的接收器-存储器单元可选地与涡轮压缩机和气涡轮机集成，并以布雷顿循环操作。在下列专利申请中提供了并入有这里所描述的集成接收器-存储器单元的布雷顿循环热机和组合循环发电厂的非限制性的实例，即，共同提交的题目为“Combined Cycle PowerPlant”的美国专利申请(代理卷号No.62715-2000700)，在2007年6月6日提交的题目为“Combined Cycle Power Plant”的美国临时专利申请No.60/933,619(代理卷号No.62715-3000700)，并已经通过引用将其每一个的全部内容并入到这里。
在一些实施例中，通路或多于一个的多个通路可选地包括衬里，例如导热衬里，例如碳、石墨或金属衬里。衬里(如果存在)可位于接收器主体或接收器芯内的中空的通路或室内。在一些情况下，采用一个或多个间隔物部件来例如保持衬里与芯或主体分离。通过保持衬里与通路如此分离，可以减小或避免一些问题，例如，由衬里与接收器主体或芯之间的膨胀系数差异导致的通路阻塞。
接收器具有任何适宜的尺寸，并且在接收器内的太阳辐射吸收主体或芯也具有任何适宜的尺寸。例如，可以通过导引到接收器的太阳辐射的量、希望的热能存储能力、接收器主体或芯的成分、操作温度下接收器芯或窗口材料的热稳定性、使用接收器的高度、或其任何组合，来确定一个或多个接收器和/或接收器主体或芯的尺寸。因此，接收器-存储器单元包括范围从约1m3到约200m3的总体积。500英尺的塔具有1,000,000平方英尺或100,000m2的可用的场，其50％覆盖有反射器。在500倍的光学会聚下，接收器孔径可以为100m2。如果孔径深1m且水平，那么上表面可以为100m2并且最小体积为100m3。因此，孔径(太阳辐射通过该孔径入射在太阳辐射吸收芯或主体上)可包括具有约0.8m2到约100m2的量级的面积的开口。在一些变体中，孔径是可调整的，例如，以调整开口的尺寸。在一些变体中，孔径配置有诸如喇叭形入口波导(entry guide)的入口波导，和/或聚焦元件或聚光器(例如，复合抛物面聚光器)。
如上所述，接收器可以是升高的(例如，塔式安装的接收器)或是地面安装的接收器。如果是塔式安装的，接收器被安装到支持塔的顶部，该塔具有典型的约15m到(约50m、100m、以及150m)中的任一个的量级的高度，这依赖于一个或多个相关联的反射器场(例如，一个或多个定日镜场)所占据的尺寸(地面面积)。位于接收器机壳或位于接收器主体自身内的接收器孔径(例如，通向接收器主体内的腔的孔径)被定位为最佳地接收来自反射器(例如定日镜)的聚焦辐射。因此，孔径可选地可以定位在塔式安装的接收器的底部(例如，在接收器主体的底部)。例如，如上所述，如果在塔式安装的接收器中孔径基本上是水平的，可以减小由孔径处的对流导致的热损失。如果接收器位于邻近反射器场的一端，接收器孔径(例如，通向腔的接收器机壳中的孔径或接收器主体或芯中的孔径)例如可以位于邻近接收器主体的下边缘。在替代布置中，接收器被示例为例如在束向下系统中的二级接收器，在束向下系统中接收器被安装在地面或邻近地面。这里，一个或多个反射器(例如，定日镜)的场将会聚的太阳辐射反射到升高的反射器，该升高的反射器又将太阳辐射导引到安装在地面或邻近地面安装的接收器。在这样的布置中，接收器孔径可选地位于接收器的上部区域(例如，接收器主体或芯的上部区域)。
在接收器内，决定主体或芯上的照射区域或表面的太阳辐射吸收芯或主体以及孔径可以以各种方式配置。图1-7示例了可能的接收器配置的一些实例。
首先参考图1，示例了接收器100的变体，接收器100包括机壳101，而机壳101又包括孔径103。在机壳101内为包括耐高温材料的太阳辐射吸收主体105。可以以单块(monolithic mass)、聚集的材料、微粒材料、粉末、捆扎的材料或其任何组合的形式来提供主体的耐高温材料。因此，太阳辐射(例如，通过反射器(例如，定日镜)的阵列导引的会聚的太阳辐射)可以经过孔径103而入射到芯105的表面107上。在该特定的变体中，入射表面107基本上平行于孔径103限定的平面，例如，如果孔径是水平的，表面107也是基本水平的。在芯与机壳之间的间隔110至少部分地填充有隔热材料(未示出)。如这里所进一步描述的，芯105包括或不包括一个或多个通路109，通路109导引通过和/或围绕芯105以传送工作流体(例如，空气)从而通过热传导提取在芯中存储的热能。
在一些情况下，接收器及其太阳辐射吸收主体包括整体式结构(unitary structure)。图2示例了这样的接收器的实例。这里，接收器200包括总体上为固体的整体式接收器主体201，接收器主体201包括耐高温材料。因此，入射太阳辐射可以通过孔径203导引，以接收到接收器芯201的腔211中。入射太阳辐射可以入射在腔211的所有表面208a和208b上或其中的任何表面上，以便被吸收并转变为热能，该热能可以在主体/芯201中存储希望的时长，该时长为例如，小于约15分钟的短暂的周期，或更长的周期(约1小时、几小时、或更长)。在该特定的变体中，腔211提供基本上平行于孔径203限定的平面的顶入射表面208a和基本上正交于孔径203限定的表面的侧入射表面208b。在一些变体中，例如，对于塔式安装的接收器，以这样的配置使用接收器200，其中，孔径203基本上是水平的并向下开口。虽然未示出，但主体/芯201可包括一个或多个流体通路，其被配置为传送工作流体以提取在芯中存储的热能。
在图3A到3B中示出了接收器的附加的变体。首先，参考图3A，接收器300包括机壳301和太阳辐射吸收主体305。太阳辐射被导引通过孔径303而入射在主体305上。在该特定的变体中，围绕机壳301的周边区域形成主体305从而形成内部腔311。在该特定的变体中，主体305包括在机壳301中以任意方式布置的多个部分310，该多个部分310例如形成了具有入射表面308的腔311，入射表面308用于接收和吸收通过孔径303透射的太阳辐射50。虽然将部分310示例为形成了具有帽314和侧壁315的块形的腔311，但其他变体也是可能的，例如，所述部分被布置为形成多边形的腔。主体305包括在帽314上的基本上平行于由孔径303限定的平面的入射表面316，和在侧壁315上的基本上正交于孔径平面的入射表面317。在机壳301之间的任何间隔(例如间隔320)可选地至少部分地填充有隔热材料。如图3B所示，示出了接收器350的变体，其中，接收器机壳351包含接收器主体355，接收器主体355包括圆柱形部分352(其又可以包括多个子部分)和帽部分353以形成具有圆形截面形状的腔361。因此，在帽353上的入射表面354基本上平行于由接收器机壳351中的孔径357限定的平面。对于图3A和3B中示出的任一变体，主体包括一个或多个流体通路(未示出)以传送工作流体从而从主体提取存储的热能。
流体通路或流体通道(如果主体中存在的话)具有各种配置，通常，任何的流体通路配置可以结合任何接收器和/或主体配置来使用。图4-7提供了用于从这里描述的耐高温主体提取存储的热能的各种流体通路的实例。应注意，单个接收器可利用一种以上类型的流体通道；因此构思了这样的变体，其包括流体通道类型的任何组合。在任何的变体中，在接收器的主体中设置通道的方式依赖于每一个单元采用的构建接收器主体的方法。
在一些变体中，流体通路从主体的内部(例如，中心)区域向外放射状地导引到主体的周边。现在参考图4，接收器400包括机壳421，机壳421包含太阳辐射吸收主体或芯414。接收器主体或芯414包括上述耐高温材料，或由耐高温材料形成或由其构建。在一些变体中，主体或芯414可以(但不必须)由这样的块构建，所述块包括(例如，主要由其构成)烧制、耐热粘土粘结剂或基体中的氧化铝。太阳辐射可以透射通过孔径422而进入主体414的内部腔418。可选地，覆盖层420至少部分地为腔411加衬里，例如作为在主体414内包含的耐高温材料的保护层。虽然取决于接收器作为其部件的系统的输出功率要求，接收器可以被构建为具有例如约1.0m3到约20.0m3的范围内的体积，但图4示出的接收器变体可具有任意的尺寸，并可以近似形成为具有约2.5m的侧向尺寸的立方体。
在接收器的主体414内提供流体通道或通路415，以传送工作流体(典型地为热交换流体)通过主体从而提取存储的热能。在该特定的实例中，通道415被形成在主体自身内并放射状地从主体的内部区域(例如，腔418)向外导向主体的外部周边区域。因此，在使用该实施例时，可以采用诸如环境空气的气体作为工作流体，并迫使或抽吸该气体使其通过腔418并放射状地向外通过通道415，而进入通常围绕接收器主体414的室421，同时，通过孔径422的会聚的太阳辐射照射主体414。可以在下游使用产生的加热的工作流体(例如，加热的空气)作为工作流体，或用其将热能传递到(另一)工作流体以例如产生过热蒸汽。
在某些变体中，一个或多个流体通道或通路以总体上横向方式被导引跨过接收器主体或芯。例如，参考图5，接收器500包括主体515，主体515包括两种类型的流体通道515a和515b。入射太阳辐射透射通过孔径518，并在腔518的所有入射表面或任何的入射表面(例如，侧壁表面508b和/或顶表面508a)上接收。在该特定的实例中，流体通道515a和515b横向延伸跨过主体514以传导用于提取热能的工作流体(未示出)。在该实例中，流体通道515a沿总体上直的路径，而流体通道515b沿蛇形路径，用以例如增加工作流体通过主体515的路径的长度从提取更多的热能。虽然将流体通道515b示例为总体为蛇形，但可以采用通过主体的曲线或迂回通道的任何变体来增加路径长度。
一些接收器包括位于接收器主体的不连续区域内的流体通道。图6示出了这样的实例。这里，接收器600包括太阳辐射吸收主体或芯614、腔618以及孔径611。一个或多个袋状室617位于主体614内。在这些变体中，流体通道616可定位为一个或多个袋状室617内的单独的通道单元。袋状室617包含流体(例如，诸如空气的热传递流体)，并且流体通道616例如包括导管或管道以便允许包含在室617中的流体可以加热导管内的工作流体。在其他变体中，袋状室包括固体耐高温材料，例如，单块材料、聚集的材料、岩石、砾石、沙或其任何组合，其可具有与芯614的块体不同的成分和/或密度。例如，可以将室617内的芯材料的成分选择为具有增加的导热性，以有助于改善到流体通道616中的工作流体的热传递。
作为替代构建，接收器可包括芯，而芯又包括一种或多种微粒耐高温材料，如上所述。芯由一种或多种微粒耐高温材料构成或主要由其构成。图7提供了这样的接收器的实例。在该特定的实例中，接收器710的芯722包括(例如，由其形成或构成)例如一种或多种未粘合的导热(矿物)陶制耐高温材料，例如，岩石、石头、砾石、沙及其组合。在一些情况下，导热耐高温材料可包含石英岩。在该实施例中，耐高温芯722位于壳或机壳723中，而机壳723包括与用于芯的材料相同或不同的耐高温材料。在一些实例中，机壳723通过耐高温材料例如氧化铝的粘合的块形成。此外，可以在芯722内设置诸如鳍片或格栅或网孔的金属结构724，以例如促进热能传播通过芯，和/或促进将热能引导到芯的选择的特定区域。虽然未在图7中示出，但可以使用可选的外壳(例如，金属外壳)来包含芯722。在这些变体中，在芯与外壳之间提供间隔，其中间隔可以或不必至少部分地填充有隔热材料。虽然该特定的变体被示例为包括用于接收通过孔径703的入射太阳辐射的腔718，但还构思了不包括腔的其他变体，使得太阳辐射入射在芯722的表面上，例如，相对平坦的表面。
对于包括微粒芯的接收器，如图7所示，微粒尺寸、微粒尺寸分布以及填充密度可是使得通过芯中的互连的填隙间隔来构建一个或多个流体通路。通过该布置，可以抽吸或迫使诸如环境空气的热交换流体通过这样的通路和芯(例如，通过腔718，如果存在)，然后热交换流体通过馈送线725直接地或通过送气系统(plenum)等(未示出)从接收器传导离开。然后，使用产生的加热流体(例如，加热的空气)作为例如能量产生循环中的工作流体。替代地或附加地，使用产生的加热流体将包含在其中的热能传送到诸如水的(另一)工作流体。
对于接收器变体中的任何一种，可以用保护覆盖层或衬里(例如，图4中的覆盖层420)覆盖接收器主体或芯的入射表面(例如，腔表面，诸如图2中的208a和208b)。这样的覆盖层(如果存在)可用于例如抑制主体或芯中的耐高温材料(例如，形成了太阳辐射被导引到其中的腔的一个或多个壁的耐高温材料)的烧蚀和/或升华。覆盖层的一些变体可以可去除地固定到(例如，腔中的)入射表面以允许在例如发生不希望的表面侵蚀或损坏时进行更换。
对于接收器变体中的任何一种，耐高温材料具有任何适宜的成分并且可以为任何形式，例如，单个的、模制的、聚集的、微粒的、粉末的或其任何组合。通常，接收器中的耐高温材料包括满足以下条件的任何的耐高温材料，即，对于太阳辐射基本上是不透明的，在暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度时基本保持稳定，例如，在上述的约800℃或更高的温度下，例如，约800℃到约3000℃，或约800℃到约2500℃下连续操作。一些耐高温材料能够禁受在至少约1000℃或至少约1200℃或甚至更高的温度下的连续操作。在某些变体中，接收器主体或芯包括耐高温材料的组合。耐高温材料可包括耐高温金属、陶瓷和/或金属陶瓷。使用的耐高温材料的非限制性的实例包括氧化铝、硅石、碳、氧化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、石墨、铬铁矿、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。
如上所述，接收器中的孔径(例如，在机壳中或在接收器主体或芯自身中)具有约0.8m2到约7.0m2的量级的截面积。在一些变体中，孔径是可调节的，例如为了调整开口的尺寸。虽然在这里示例的接收器的变体中没有示出，但任何的孔径可以安装有窗口，该窗口对于感兴趣的波长范围的太阳光谱基本上是透明的(例如，石英窗口)。在某些变体中(虽然未示出)，可以在孔径中设置一个或多个光学部件(例如，辐射能量聚光器)以使入射太阳辐射符合条件。
对于这里描述的接收器变体中的任何一种，热交换流体可以与接收器主体或芯的表面热接触以从该表面提取热能。该热交换方案可以替代于或附加于通过芯中的通路传送热交换流体的热提取方案之外使用。例如，可以使用与接收器主体或芯的表面接触(例如，物理和/或热接触)的热交换流体，或与芯的表面热接触的包含热交换流体的一个或多个管来从主体或芯提取热能。
图8提供了接收器的实例，其中通过热交换流体的热提取发生在接收器芯的表面处。这里，接收器800包括包含耐高温材料的太阳辐射吸收芯814。通过孔径822(在该变体中进入腔818)的太阳能的块体吸收导致在芯814中产生并存储热能。管路(manifold)826中包含的热交换流体被设置为与芯814的外表面810热接触，以从芯提取存储的热能，用于例如驱动能量产生循环。虽然在图8中未示出，但芯自身包括用于传送工作流体的一个或多个内部流体通路(例如，如前面所示出的)用于从芯814的块体提取热能。因此，接收器可以包括用于通过与耐高温主体或芯的外部表面的外部热接触进行热提取的外部装置，例如，如图8所示，和/或配置为在耐高温主体或芯中和/或围绕耐高温主体或芯传送工作流体的一个或多个流体通道，如这里所描述的。
在一些接收器的变体中，可以调整或选择太阳辐射所导引通过的孔径与太阳辐射吸收主体之间的偏移，以确定入射在主体上的太阳辐射的能量密度或强度。例如，可以调整或选择孔径与芯之间的偏移以增加接收器的能量收集效率。这样的调整可以在安装时完成，或周期地或规则地实施，并可以人工或自动完成。例如，可以进行这样的调整以解决季节性变化和/或接收器的老化。现在参考图9，示例了接收器的变体，其中，接收器孔径与接收器芯的入射表面之间的偏移可以改变。这里，接收器900包括机壳901，机壳901包括孔径903。太阳辐射吸收主体或芯914包含在机壳901内。太阳辐射(例如，通过诸如定日镜的一个或多个反射器反射的会聚的太阳辐射)透射通过孔径903而入射在接收器主体或芯914的入射表面915上。主体914包括上述耐高温材料，并可以包括或不包括上述的一个或多个流体通路。通常，入射太阳辐射50已经由反射器聚焦，使得当入射束进入孔径903并入射在表面915上时，取决于焦点或最高集中区域出现在从反射器到接收器900的反射辐射的路径上的何处，入射束可能会聚或发散。由此，可以调整在孔径903限定的平面与入射表面915之间的偏移916来确定入射到表面915上的能量密度或强度。此外，还可以调整孔径903的截面尺寸917，这同样可以影响入射到表面915上的能量密度或强度。
在某些变体中，可以调整反射器的聚焦特性和反射器与接收器之间的距离，使得反射的太阳辐射在近似到达孔径限定的平面时或在此之前达到焦点或最高能量集中区域。图10实例了这样的情况。这里，接收器1000包括机壳1001，机壳1001包含耐高温芯1014，其具有用于接收入射太阳辐射的表面1015，以允许至少一部分辐射的块体吸收，以及随后在芯1014中的块体加热。太阳辐射入射在阵列1041中的一个或多个反射器1040上。反射器(例如，固定水平轴和/或固定竖直轴定日镜)被配置为跟踪太阳并将入射太阳辐射反射到接收器1000。在该特定的变体中，反射器1040是聚焦反射器。反射器与接收器之间的距离，结合反射器的聚焦特性，可以确定反射的太阳辐射50的焦点，或没有被严格聚焦的辐射的至少最高能量集中区域。在一些情况下，将接收器定位为使焦点或最高能量集中区域(例如，图10示出的区域1039)近似出现在孔径处或近似出现在孔径之前的位置，以使入射在耐高温芯的表面上的太阳能是发散的。因此，可以减小入射表面上的强度变化，例如，以便实现近似均匀地照射太阳辐射吸收芯的入射表面，这可以允许使用总体上更高的入射太阳辐射能量密度，增加接收器的转换效率，和/或减少会降低性能的局部热点(在某些情况下，会导致灾难性的故障)等等。在一些情况下，可以调整孔径1003与芯的入射表面1015之间的偏移，以便在表面1015上近似成像反射器阵列1041的至少一部分。通过调整入射表面1015之间的偏移、可选地孔径1003的截面尺寸、以及可选地反射的太阳辐射50的焦点相对于孔径的位置，可以控制入射在芯1014的表面1015上的能量密度或强度。
在这里还描述了使用这里描述的接收器来进行热交换以通过太阳能产生热能的方法。通常，该方法包括将会聚的太阳辐射导引通过接收器孔径使得太阳辐射入射在接收器芯上。可以使用任何的上述接收器，其包括接收器芯的任何变体和孔径的任何变体。因此，该方法包括利用接收器，该接收器包括芯，该芯主要由耐高温材料或耐高温材料的组合所构成。该方法还包括通过使工作流体流过在芯中和/或围绕芯的一个或多个通路来传递在入射辐射的块体吸收之后在芯中存储的热能，如上所述。该方法包括将会聚的太阳辐射导引通过孔径而入射在芯上，使得芯达到约800℃或更高，例如，约1000℃或更高，或约1200℃或更高的连续操作温度。可以使用任何适宜的技术使工作流体通过一个或多个通路，例如，可以泵抽或抽吸工作流体来使其通过通路。在该方法中使用的工作流体为任何适宜的工作流体，但在许多情况下主要包括空气。
该方法包括使工作流体通过各种配置的通路中的任何一种通路，以便从芯提取存储的热能。例如，方法包括使工作流体流动通过从内部区域反射状地向外导引到周边区域的通路，或通过蛇形、螺旋或其他迂回通路。一些方法包括使工作流体流动通过包括微粒聚集体的耐高温芯。
该方法可以用于塔式安装的接收器，或在地面处安装或邻近地面安装的接收器。在任何情况下，该方法包括调整接收器孔径的截面尺寸和/或调整孔径与芯的入射表面之间的偏移，从而(例如)调节入射在芯上的能量密度或强度和/或增加接收器的收集效率。例如，该方法包括将会聚的太阳辐射导引通过接收器孔径，使得最大能量密度或强度的点或区域出现在孔径处或在孔径前，该处不存在可能过热的材料，从而使太阳辐射在其入射到芯时至少是有些发散的。如上所述，某些方法包括导引会聚的太阳辐射使其入射在芯的基本上水平的表面，或入射在芯的基本上竖直的表面，或这两种方式的组合。某些方法包括在芯的基本上水平的入射表面上至少部分地成像反射器阵列，其中放射器阵列用于将太阳辐射导引通过孔径。可以采用任何类型或配置的反射器以将会聚的太阳辐射导引通过孔径而入射在芯上。例如，可以使用包括固定水平轴和/或固定竖直轴定日镜的阵列。
还公开了用于在太阳辐射与工作流体之间进行热交换的某些其他的方法。这些方法包括将会聚的太阳辐射导引通过在塔式安装的接收器的主体的下部中的基本上水平取向的孔径，使得太阳辐射入射在设置在主体内的芯上并由其吸收，从而在芯中产生热能。芯包括耐高温材料。该方法还包括将热能从芯传递到工作流体，例如，包括空气的工作流体。方法的变体包括使工作流体流动通过芯中和/或围绕芯的一个或多个通路以便有利于从芯提取热能。在这些方法中可以使用任何类型或配置的通路。此外，这些方法包括调整孔径与芯的入射表面之间的偏移以便调整入射在芯上的能量密度或强度，和/或接收器的效率。
这里描述的接收器和方法可以用于太阳能收集器系统的各种配置。在图11中提供了用于从一个或多个反射器场接收能量的塔式安装的接收器的实例。这里，在邻近(例如，接近其一端)反射器(例如，包括定日镜反射器)1113的场1112的钢塔1111(例如，骨骼或空间框架钢塔)的顶部上或在顶部附近设置接收器-存储器单元(此后，简称为“接收器”)1110。为了方便起见，仅仅在图中示出了四个反射器，但是单个塔式安装的接收器通常可以与极大数目的反射器相关联。同样，在替代布置中，可以在大的反射器场的边缘或其中设置多个间隔的塔式安装的接收器。在这些可选的情况下的任一者中，可以控制和驱动反射器朝单个接收器取向或从一个接收器重新取向到另一个，以最优化太阳能收集并最小化可能的反射器遮蔽。虽然在图11中将接收器1110示例为在场1112的一端，但场1112和场内的反射器1113可以具有相对于接收器1110的任何适宜的布置。例如，在一些变体中，可以相对于接收器1110圆周地布置反射器1113，例如，使导引到接收器的太阳辐射总体上呈圆锥形。在其他的变体中，可以以弧或行的形式布置反射器1113。这样的弧或行可以相对于接收器1110对称地布置，或优选地布置在接收器1110的一侧或多侧上。
在某些其他的替代布置中，在地面上或邻近地面安装接收器，例如，作为上述的束向下配置的二级接收器。这里，升高的反射器被配置为接收来自一个或多个反射器场(与图11中的场1112相似)的反射器太阳辐射。升高的接收器将反射的辐射重新导引向下，以使辐射如上所述透射通过接收器的向上开口的孔径。这样的地面安装布置可以容纳较大的折射芯。
在任何给定的情况下，至少部分地通过反射器场的尺寸(面积)(以及因此通过最远的反射器1313与塔之间的距离)，以及某些程度上通过反射器的空间关系确定塔111的高度。然而，塔典型地具有从约15m到约50m的范围内的高度。
每一个反射器1313包括具有固定的竖直轴的双轴定日镜，但是为了获得增加的反射器地面覆盖，每一个反射器可希望地包括具有固定的水平轴的反射器，例如，如日期为2007年1月29日的澳大利亚临时专利申请No.2007900391和在2008年1月29日提交的题目为“Solar EnergyCollector Heliostats”的国际专利申请No.PCT/AU2008/中所公开的，其每一个的全部内容通过引用并入到这里。在一些变体中，采用在日期为2007年1月29日的澳大利亚临时专利申请No.2007900390中和在日期为2008年1月29日提交的国际专利申请No.PCT/AU2008/000096(将其每一个的全部内容通过引用并入到这里)中公开类型的避碰太阳跟踪系统来驱动定日镜。
在使用中可以驱动反射器(例如，定日镜)以跟踪每日太阳的东升西落过程，并将入射太阳辐射反射到接收器1110的孔径中(参考上面的详细描述)。在反射器场1112中设置有多个间隔的接收器1110的情况下，或接收器例如位于场的相对的端的情况下，可以取向各个反射器，以将辐射反射到接收器中的一个，或者可以选择性地驱动一些反射器以枢转到可以将反射的辐射从一个接收器转移到另一个接收器的程度。在1999年5月4日授权给David Mills的美国专利No.5,899,199中描述了可以被重新取向以将入射太阳辐射从一个塔导引到另一个塔的反射器的非限制性的实例，通过引用将其全部内容并入到这里。在任何情况下，反射器可以一起运作以将太阳辐射会聚在接收器或多个接收器(如果存在)的孔径处或邻近孔径，例如以上关于图9和10所描述的。
这里描述的接收器作用以加热采用例如布雷顿循环的热机中的工作流体。在下列专利申请中提供了使用太阳辐射吸收耐高温接收器来加热工作流体的能量产生循环和组合循环电站的实例，即，共同提交的题目为“Combined Cycle Power Plant”的美国专利申请(代理卷号No.62715-2000700)，以及在2007年6月6日提交的题目为“CombinedCycle Power Plant”的美国临时专利申请No.60/933,619(代理卷号No.62715-3000700)。
图12提供了用于加热工作流体(例如，空气)的加热台的实例。这里，加热台1200包括具有上述的任一配置的接收器1210，接收器1210被插入在压缩机涡轮1226与涡轮发电机1227之间。采用压缩机1226将压缩空气推入到接收器1210的腔1218，并通过流经接收器的高能量级空气驱动涡轮发电机1227。即使在该变体中通过太阳为加热台1200供能，但用于加热工作流体的接收器1210的能量存储能力也可以抑制或减小由低日照期间导致的热波动。可以选择接收器1210的存储能力使得供给的加热的压缩空气是充分稳定的，从而驱动涡轮发电机1227，例如无需辅助或补充燃料来为加热台1200供能。虽然在图12中示例了与布雷顿循环热机有关的加热台1200，但这里描述的接收器也可以用于采用加热的工作流体的其他类型的能量产生循环的其他加热循环中。
图13示例了利用这里描述的接收器的组合循环电站的实例。这里，电站1300包括两个互连的发电系统，第一发电系统(由标号1310表示)为采用布雷顿循环的热机，第二发电系统(由标号1311表示)为采用兰金循环的热机。第一系统1310包括涡轮压缩机1312，环境空气形式的第一工作流体被纳入其中，以及气涡轮机1313，其为涡轮压缩机1312和发电机1314提供回转驱动。在压缩之后，第一工作流体在加热系统1315中被加热并被传送到涡轮机1313，在这里工作流体膨胀通过并驱动涡轮机1313而消耗其获得的大部分能量。
在图13示例的发电站的变体中，一个或多个接收器1316(如这里所描述的，是塔式安装或地面安装的)接收并吸收由一个或多个反射器1317的场反射的会聚的太阳辐射，反射器例如可以为这里描述的任何定日镜或其他公知的装置(例如，固定竖直轴双轴定日镜或固定水平轴双轴定日镜)。为方便起见，在图13中仅仅示出了三个反射器1317，但依赖于涡轮机1313-发电机1314组的希望的功率输出能力，一个或多个反射器场通常包括几百个反射器(例如，定日镜)。虽然在图13中未示出，但如果接收器1316为塔式安装的吸收器，还可以在塔上安装压缩机1312、涡轮机1313、以及第一发电机1314，作为在塔上的准集成装配。这样的布置可以避免或减小对于在另一情况下的从接收器1316向设置有第一涡轮机1313和第一发电机1314的地面输送极高温气体的需要。在膨胀通过气(第一)涡轮机13之后，在一些变体中，将第一工作流体的至少一部分导引到媒介热能存储系统1318，在该系统中，包含在第一工作流体中的剩余热能被释放(通过热交换)到热能存储系统1318中的热能存储介质。在共同提交的题目为“Combined Cycle Power Plant”的美国专利申请(代理卷号No.62715-2000700)中，以及在2007年6月6日提交的美国临时专利申请No.60/933,619中描述了媒介热能存储单元的实例，通过引用将上述专利文件的全部内容并入到这里。然后，在消耗了其获得的所有能量(或者，至少大部分)之后，将第一工作流体排放到大气，如标号1319所示。当然，如果没有采用媒介热能存储单元，可以在经过涡轮机1313之后立即排放第一工作流体。
在发电站1300内的第二系统或循环1311包括第二涡轮机1320(例如，蒸汽轮机)，通过闭环1321导引第二工作流体通过该第二涡轮机。依赖于其在环路1321中的位置，第二工作流体包括冷凝水，饱和蒸汽(湿汽)和过热蒸汽。过热蒸汽被纳入并延伸通过涡轮机1320，应用产生的消耗的能量驱动第二发电机1322。虽然未示出，但来自第一发电机1314和第二发电机1322的电输出的每一个可被输送到电网。
在膨胀通过蒸汽轮机1320之后，剩余的蒸汽/蒸气被传送到冷凝器1323，其中利用通过冷凝器流体冷却剂系统1324再循环的冷凝器冷却剂流体来去除显热和潜热。冷凝器包括多种不同类型的冷凝器中的任何一种，包括壳管式冷凝器和直接接触冷凝器，但是在某些变体中，冷凝器包括其中冷却剂流体接触第二工作流体的直接接触冷凝器。冷凝器冷却剂流体冷却系统包括蒸发冷却、强迫空气冷却、地下热交换或其任何组合。
在替代的(未示出)的实施例中，采用空气冷却冷凝来冷凝来自涡轮机1320的输出蒸气。在该情况下，并且如果电站包括如反射器场1315的太阳能收集器系统，可以在反射器场1315内设置多个空气冷却冷凝器并从反射器1317遮蔽的区域抽取冷却空气。在2008年6月6日提交的题目为“Convective/Radiative Cooling Of Condenser Coolant”(代理卷号No.62715-2000500)的美国专利申请和在2007年6月6日提交的题目为“Convective/Radiative Cooling Of Condenser Coolant”(代理卷号No.62715-3000500)的美国临时专利申请序列号No.60/933,574中提供了可以结合这里公开的发电站使用的空气冷却冷凝器的非限制性实例，通过引用将上述专利文件的全部内容并入到这里。
仍然参考图13，可以通过泵1325将液相的第二工作流体从冷凝器1312传递到热交换器(例如，在热能存储系统1318内的热交换器，如果存在的话)，在该热交换器中，热能，例如已存储在或没有存储在存储单元1318中的从第一循环1311重获的残余热能，和/或由任一类型的能量源提供的热能，通过热交换以这样量被传递到第二工作流体，该量为可以产生传递到蒸汽轮机1320的过热蒸汽。因此，第一循环或系统1310结合第二循环或系统1311来提供为第二系统供能所需的热能的至少一部分。
本公开是示例性的并非限制性的。此外，根据本公开，修改对于本领域的技术人员是显而易见的，并且这样的修改旨在落入所附权利要求的范围内。通过引用完整地并入说明书所引用的每一个公开和专利申请，如同在这里具体并单独阐述了每一个单独的公开或专利申请一样。

Claims (48)

1.一种用于太阳能收集器系统的接收器，所述接收器包括：
芯，被配置为吸收导引通过接收器中的孔径的太阳辐射，所述芯主要包括耐高温材料；以及
在所述芯中的一个或多个流体通路，用于传导工作流体通过并有助于从所述芯提取热能。
2.根据权利要求1的接收器，其中所述孔径位于所述接收器的下表面并是基本上水平取向的。
3.根据权利要求1的接收器，其中所述芯的入射表面基本上是水平的。
4.根据权利要求1的接收器，其中所述芯的入射表面基本上是竖直的。
5.根据权利要求1的接收器，其中所述孔径与所述芯之间的偏移被选择，以确定入射在所述芯上的所述太阳辐射的能量密度。
6.根据权利要求1的接收器，其中所述耐高温材料包括这样的材料，即，对于太阳辐射基本上是不透明的，并当暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度时基本上保持稳定。
7.根据权利要求1的接收器，其中所述耐高温材料选自氧化铝、硅石、碳、氧化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、石墨、铬铁矿、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。
8.根据权利要求1的接收器，包括设置在所述芯上的覆盖层。
9.根据权利要求1的接收器，其中所述芯包括聚集物，并且所述一个或多个流体通路由所述聚集物中互连的填隙间隔形成。
10.根据权利要求1的接收器，其中至少一个通路从所述芯的内部部分放射状地导引到所述芯的周边部分。
11.根据权利要求1的接收器，其中所述芯包括一个或多个金属结构，其被配置为分散所述芯中的热或将热分散到通过所述芯的诸如空气的流体中。
12.一种用于太阳能收集器系统的接收器，所述接收器被安装在塔上并包括：
水平取向的向下开口孔径；以及
太阳辐射吸收芯，包括设置在所述孔径之上的耐高温材料，使得导引通过所述孔径的太阳辐射入射在所述芯上从而在所述芯中产生热能。
13.根据权利要求12的接收器，还包括位于所述芯中的至少一个通路，用于传导工作流体通过并有助于从所述芯提取热能。
14.根据权利要求12的接收器，其中所述芯的入射表面基本上是水平的。
15.根据权利要求12的接收器，其中所述孔径与所述芯的入射表面之间的偏移被选择，以确定在所述芯上的太阳辐射的能量密度。
16.根据权利要求12的接收器，其中所述耐高温材料包括这样的材料，即，对于太阳辐射基本上是不透明或吸收的，并当暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度时基本上保持稳定。
17.根据权利要求12的接收器，其中所述耐高温材料选自氧化铝、硅石、碳、氧化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、石墨、铬铁矿、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。
18.根据权利要求12的接收器，包括设置在所述芯上的覆盖层。
19.根据权利要求13的接收器，其中所述芯包括聚集物，并且所述一个或多个流体通路包括所述聚集物中互连的填隙间隔。
20.根据权利要求13的接收器，其中至少一个通路从所述芯的内部部分放射状地导引到所述芯的周边部分。
21.根据权利要求13的接收器，其中所述芯包括一个或多个金属结构，其被配置为分散所述芯中的热。
22.一种进行热交换的方法，所述方法包括：
将会聚的太阳辐射导引通过接收器中的孔径而使其入射在接收器芯上，所述芯主要包括耐高温材料并能够吸收太阳辐射；以及
通过使工作流体通过在所述接收器的所述芯中或围绕所述芯的一个或多个通路将包含在所述芯中的热能传递到所述工作流体。
23.根据权利要求22的方法，包括将会聚的太阳辐射导引通过位于所述接收器的下部中的基本上水平取向的向下开口的孔径，所述接收器安装在塔上。
24.根据权利要求22的方法，包括将会聚的太阳辐射导引通过孔径，使得会聚的辐射的最高能量密度的点基本上出现在所述孔径处或所述孔径之前。
25.根据权利要求22的方法，包括调整所述孔径与所述芯的入射表面之间的偏移，以确定所述芯上的所述太阳辐射的能量密度。
26.根据权利要求22的方法，包括采用一个或多个定日镜将会聚的太阳辐射导引通过所述孔径。
27.根据权利要求22的方法，包括使所述工作流体流动通过一个或多个通路，所述一个或多个通路从所述芯的内部区域放射状地导引到所述芯的周边区域。
28.根据权利要求22的方法，其中所述芯包括聚集物，所述方法包括使所述工作流体流动通过一个或多个流体通路，所述一个或多个流体通路包括所述聚集物的微粒之间的填隙间隔。
29.根据权利要求22的方法，包括调整所述孔径的截面尺寸和目标的偏移以增加所述吸收器的收集效率。
30.一种进行热交换的方法，所述方法包括：
将来自反射器的场内的反射器的会聚的太阳辐射导引到接收器的主体内的开孔的腔中，所述主体的体积的至少主要部分包括耐高温材料，在其中通过辐射能量的块体吸收产生热能，并且所述主体具有位于其中的至少一个通路，以及
通过使工作流体通过所述至少一个通路将所述热能传递到所述工作流体。
31.一种太阳能收集器系统，包括：
一个或多个定日镜；
接收器，包括孔径和主要包括耐高温材料的芯；
管路，包含第一工作流体，
其中所述定日镜中的至少一个将太阳辐射导引到孔径接收器，并且所述管路传送第一工作流体，所述第一工作流体已经从所述芯提取了存储的热能用于产生电能。
32.根据权利要求31的太阳能收集器系统，其中所述接收器是地面安装的，阵列还包括升高的反射器，所述升高的反射器被配置为将来自所述定日镜的反射的太阳辐射重新导引到所述地面安装的接收器。
33.根据权利要求31的太阳能收集器系统，其中所述接收器为两个或更多的间隔开的接收器中的一个，并且其中至少一个定日镜被配置为是枢转的，以便将入射太阳辐射导引到所述两个接收器中的任一个。
34.根据权利要求31的太阳能收集器系统，包括热交换器，所述热交换器被配置为将包含在所述第一工作流体中的热能传递到第二工作流体。
35.一种发电系统，包括：
第一压缩机，配置为压缩工作流体；
第一加热台，配置为加热所压缩的工作流体；以及
第一涡轮机，配置为膨胀所述压缩的、经加热的工作流体以驱动发电机；
其中所述第一加热台包括太阳能接收器，所述接收器包括：
孔径，通过所述孔径导引会聚的太阳辐射；
芯，包括太阳辐射吸收耐高温材料，以及
其中所述工作流体提取通过由所述芯吸收入射的太阳辐射而在所述芯中产生并存储的热能。
36.根据权利要求35的发电站，结合采用第二热动力循环的热机，其中所述热机利用所述第一工作流体在所述第一涡轮机中发生膨胀之后的废热能来加热第二工作流体。
37.根据权利要求36的发电站，其中所述热机采用兰金循环。
38.一种用于太阳能收集器系统的接收器，所述接收器包括：
主体，其体积的至少主要部分包括耐高温材料；
在所述主体内提供的腔，其具有孔径，使用的会聚的太阳辐射通过所述孔径被聚焦以入射在所述腔的壁上；以及
位于所述主体内的至少一个通路，用于传导工作流体通过并有助于从所述主体提取热能。
39.根据权利要求1的接收器，其中所述芯的入射表面基本上朝向基本上位于塔的一侧的场倾斜。
40.根据权利要求1的接收器，其中所述耐高温材料由这样的化合物形成，所述化合物吸收在所述接收器的块体媒质中的大部分的太阳辐射，并当暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度时基本上保持稳定。
41.根据权利要求1的接收器，其中所述耐高温材料表面具有吸收大部分的太阳辐射的诸如腔或通道的特征，使得所述接收器当暴露到由吸收会聚的太阳辐射而建立的温度时基本上保持稳定。
42.根据权利要求12的接收器，其中所述孔径偏离所述接收器的中心以接收来自位于所述接收器的侧面的反射器的场的至少大部分的辐射。
43.根据权利要求12的接收器，其中所述芯偏离所述接收器的中心以接收来自位于所述接收器的侧面的反射器的场的至少大部分的辐射。
44.一种用于太阳能收集器系统的接收器，所述接收器安装在塔上，并且所述接收器包括(1)孔径和(2)太阳辐射吸收芯，所述太阳辐射吸收芯包括设置在所述孔径之上的耐高温材料，使得导引通过所述孔径的太阳辐射入射在芯上从而在所述芯中产生热能，其中所述接收器是倾斜的，并以这样的方式面朝下方的太阳场，即使得太阳辐射全部或部分地从所述塔的一侧导引通过所述孔径并入射在所述芯上。
45.根据权利要求24的方法，其中束在邻近所述孔径时会聚到其最小尺寸，并且其中所述芯充分远离所述孔径以减小入射光强度并将所述芯材料上的峰值温度保持在低于所述芯材料基本上保持物理和化学稳定的温度。
46.根据权利要求22的方法，包括在所述芯的基本上平坦的表面上近似成像反射器场。
47.根据权利要求46的方法，其中跨所成的像的强度基本上均匀。
48.根据权利要求45的方法，其中入射光形成产生所述束的反射器场的像。
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