CN102245977A

CN102245977A - 用于太阳能接收器的窗系统、方法以及使用其的太阳能接收器系统

Info

Publication number: CN102245977A
Application number: CN2009801505053A
Authority: CN
Inventors: 詹姆士·B·凯赛利; 安妮特·P·沙赛; 肖恩·D·沙利文; 艾瑞克·W·沃尔诺格乐
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2011-11-16
Also published as: WO2010048553A2; IL212480A0; WO2010048553A3; US20110283995A1

Abstract

用于太阳能接收器的改进的窗系统提供对热二次辐射的高水平阻止，同时最小化菲涅尔损失。窗系统的特征为光学上能透射的构件的束状阵列。在其他的方面，提供使用窗系统的太阳能接收器和制造方法。

Description

用于太阳能接收器的窗系统、方法以及使用其的太阳能接收器系统

相关申请的交叉引用

本申请要求根据35 U.S.C.§119(e)的2008年10月23日提交的第61/107,889号美国临时专利申请的优先权。前述的临时申请在此通过引用其全部被并入。

背景

本公开内容一般涉及集中太阳热能的系统，且更具体地，涉及太阳能集中器的太阳能接收器部分，太阳能集中器如使用围绕中央塔的抛物面(反射器)或磁反射镜场的太阳能接收器系统。

通过聚焦镜系统产生的集中的太阳能量已经被用于加热工作流体来用于功率转换或高温处理热力应用。通常在系统的太阳能接收器部分内实现范围在700至1100摄氏度的温度。

典型地，太阳能接收器具有用于接收聚集的太阳功率的孔和在由流体冷却的接收器腔内的吸收器。流体可以是热机循环如Stirling、Brayton或Rankine循环热机的工作流体。可选地，流体可用于高温处理，如热化学转换，能量输运或热能存储。一般地，太阳能接收器的效率是孔的尺寸和腔的温度的强函数，因为从吸收器到环境的二次辐射代表主要损失。

已经使用窗或盖玻片以通过阻止一小部分红外能量同时透射大部分太阳光谱来减少该二次辐射。这通常被称为“温室”效应。由于窗的红外吸收及其自然对流损失的减少，增益稍微被来自窗表面的太阳能反射抵消(offset)。适合于太阳能接收器的大多数窗材料具有约1.4至1.6的折射率。而对于大多数透射窗材料，空气与窗之间的折射率变化导致反射损失约4％每接触面或对于窗的两侧共8％。这些损失一般被称为菲涅尔损失。

本公开内容针对用于太阳能接收器的改进的窗系统，其提供对热二次辐射的高水平的阻止同时最小化菲涅尔损失。在其他的方面，本公开内容针对使用相同的窗系统的太阳能接收器以及制造的方法。

现有技术的描述

集中太阳功率产生的现有技术方法使用光学器件以将热能递送到太阳能接收器，用于通过热力发动机将热能转换成电。图1说明现有技术的太阳能接收器系统，其包括安置在结构2上以反射并集中太阳光线1到太阳能接收器3上的抛物面反射器4。图2提供太阳能接收器3的全视图，其包括孔5和吸收器7，孔5用于允许太阳能量进入具有前腔部分6的腔内。设置前腔部分6的接受角以避免反射的日光的直接辐照。吸收器7配置成吸收功率并将该功率转移到工作流体。吸收器7可以是管状的，具有板-翼结构，或是开放式矩阵，如蜂窝、站销(standing pin)或多孔泡沫。流体可以是空气、氦气、氢气或任何数量的用在热机循环、热化学反应或热存储应用的流体。

可在孔5放置光学窗以帮助保留热能在接收器的腔内。窗材料透射大部分的太阳光谱，而吸收从被腔部分6和7限定的腔辐射的大部分的红外能量。图3显示如本领域一般已知的平盘式窗8。平的窗虽然简单但是由于所谓的菲涅尔损失反射入射能量的一部分10，这与窗和空气之间不匹配的折射率有关。图4说明由平的窗8的菲涅尔反射。主光线1交叉窗表面，其中透射的部分9通过窗，而反射的部分10在交叉点以与表面的平面成相等但相反的角度改变方向。如在图4中最佳看到的，因为有两个表面，即，窗8的面向内的表面和面向外的表面，有两次菲涅尔反射光线10。对于代表性的窗材料，该反射代表约8％的总入射能量。

图5显示具有凹面窗11的可选的现有技术太阳能接收器3a。如果窗凹面深入地凹出到腔中，菲涅尔反射在腔中别处改变方向，但不像对于平的窗的情况被损失。不是所有的凹窗以该方式有效地起作用。作为一个例子，来自半球形凹窗的菲涅尔反射分量将把其反射的能量的大部分指到前面的或近侧的腔部分6上，而不是包含吸收器表面7的远侧腔部分。因此，可推断仅深圆顶的(deep-domed)窗将有效地捕获以菲涅尔反射形式的能量。适于功率产生的、大的圆顶形的窗设备被已知是昂贵的，特别对于其中需要石英(熔凝二氧化硅)或蓝宝石(氧化铝)的高温太阳能接收器应用。

简述

在一个方面，提供用于一种类型的太阳能接收器的窗系统，该太阳能接收器具有太阳能量接收室、限定到太阳能量接收室的开口的太阳能量接收孔以及在太阳能量接收室内容纳的太阳能量吸收器。窗系统包括由光学上能透射的材料形成的多个光学上能透射的构件且多个光学上能透射的构件被连接在一起以形成束状阵列。

在另一方面，提供太阳能接收器。太阳能接收器包括腔，用于接收进入腔的光的孔，设置在腔内的太阳能吸收器，以及由光学上能透射的材料形成的多个光学上能透射的构件，其被连接在一起以形成束状阵列。束状阵列被设置在太阳能接收器上孔处。

在又一方面，一种用于制造太阳能接收器的方法包括：形成一种类型的太阳能接收器，其具有腔、用于接收进入腔的光的孔以及设置在腔内的太阳能吸收器，束紧多个光学上能透射的构件以形成束状阵列，由光学上能透射的材料形成的光学上能透射的构件的每个，以及将束状阵列连接到太阳能接收器孔处。

附图简述

本发明可采取以各种部件和部件的布置的形式，以及以各种步骤和步骤的布置的形式。附图仅用于说明优选的实施方式的目的且不被解释为限制本发明。

图1说明现有技术的太阳能接收器装置。

图2提供图1中出现的太阳能接收器部分的全视图。

图3显示现有技术的具有平盘式窗的太阳能接收器。

图4说明由于现有技术的具有平的窗的太阳能接收器的菲涅尔反射。

图5显示可选的现有技术的具有凹面窗的太阳能接收器。

图6A显示根据本发明的示例性实施方式的窗系统。

图6B是管束12的不完整的横截面视图，一般沿着图6A中出现的线6B--6B获得。

图6C是图6A中出现的区域6C的扩大的视图。

图7说明示例性圆柱形管14的一般特征。

图8A显示通过交错固定的管的束状阵列的不完整的横截面视图。

图8B显示图8A中出现的管的束状阵列的不完整的俯视图。

优选实施方式的详细描述

现在参考图6A-6C，其中贯穿几个视图的同样的参考数字指同样的或类似的部件，根据本公开内容的示例性实施方式出现有窗系统12，其可有利地被配置成捕获菲涅尔反射且其也可以被生产而无过多的成本。窗12包括由光学上能透射的材料形成的光学上能透射的构件14的填充物(packing)。光学上能透射的构件14可以具有实心的或中空的结构，且在描述的优选的实施方式中是细长的直的管14。虽然在描述的示例性实施方式中显示的管14横截面形状是圆形的，但是将认识到还可以使用任何几何配置例如横向面是多边形的管14。如本文所用的，术语“光学上能透射的”是用来指透射入射在其上的太阳辐射的相当数量部分的材料。

在可选的实施方式中，构件14可以是由光学上能透射的材料形成的实心棒，且同样地可以具有圆形的、多边形的或其它横截面形状。虽然本文通过参考使用中空的或管状的光学上能透射的构件14的优选的实施方式描述所描述的优选的实施方式，但是将认识到本文公开内容同样适用于使用实心棒作为光学上能透射的构件的窗系统。

带夹13或相似的拉紧设备伸展到外围附近，使管14的阵列捆绑在一起。可选地，管14可以被锁在一起或捆绑在一起。管14可由光学上能透射的材料制成，光学上能透射的材料包括但不限于：石英、硼硅玻璃(例如，PYREX

)、玻璃、蓝宝石、金属氧化物等等。因为光学上能透射的构件14具有差的与它们的相邻元素的热传递，在太阳辐照的孔之外位于外周上的那些可能相对凉。因此，如图6A和6C中显示的过大的束可以用拉伸弹簧机构夹紧。如在图6B中最佳看到的，在描述的优选的实施方式中，管14以六边形紧密堆积(close-packed)的配置被捆。

图7说明在此使用圆柱形管14的优选的实施方式的一般特征。管束名义上被定位于太阳能接收器3的孔5的平面21处，即，使得管束阵列12的朝外的光接收面一般与孔5的平面21对齐。可以使用正如本领域技术人员所理解的一个或多个机械紧固件将束12固定到太阳能接收器体3上，机械紧固件如一个或多个托架、夹子(clamp)、夹(clip)、搭扣配合紧固件(snap fit fastener)、夹(clip)、卡爪(dog)、棘爪(pawl)、挡板(bezel)或其它连接或复配工具。

管束选择性地可以延伸到吸收器平面20的上面，其限定在邻近或前腔部分6和包含吸收器表面7的接收器腔的远侧部分之间的边界。然而，对于实现良好的性能这一般不是必需的。遭受菲涅尔损失的管窗系统的部分仅是管末端，垂直于(normal to)圆柱体的轴尺寸。虽然这通常代表入射能量的非常小的部分，但这一损失可通过选择薄壁的管或通过使管末端变圆、变薄、变尖锐或成倒角来降低。在由管14组成的束状阵列12中，在吸收器7的平面20之上的、由吸收器7发出的红外辐射17的一部分，可直接通过管孔；然而，当管14的长宽比(长度对直径)增加时这部分下降。

来自吸收器7的辐射17在所有方向被发射。因此，穿过管14的所谓的视角因数(view factor)随着管的长宽比的增加而减少。更高的长宽比的管用作有效的辐射屏障，因为吸收的能量具有至管的前端或面向外的末端的长的传导路径，其中管的前端或面向外的末端暴露于较凉的环境空气。在优选的实施方式中，虽然考虑其它长宽比，但管14的长度与直径的比L/D可以是约3或更大以确保腔辐射17的高度交叉。虽然对管14的直径没有限制，但具有约25毫米至约50毫米(约1英寸至约2英寸)范围内的直径的管可有利地被使用。本文描述的窗系统也可以用作腔对流损失的屏障，阻止腔外的浮力驱动的空气的转移。

在可选的示例性实施方式中，本文的窗系统仍可使用环绕管14的束状阵列的带夹13(参见图6A和6C)，但还可以包括管上的特征以防止毗连的管14的相对移动或滑动。在图8A和8B的描述的实施方式中，管束包括两种类型的管，即，直壁管30和非直壁管31，非直壁管31在管末端具有凸缘、外倾(flare)或类似凸出体32。将认识到凸出体32可以是相对小的或轻的。另外，虽然描述的优选的实施方式显示管31在两端都具有凸缘特征32，将认识到也考虑仅在一端或另一端上具有带有凸缘特征32的管31的窗系统。可选地，外倾或凸缘特征32不必是连续的，而可以是分段的外倾或凸缘或可以是凸出体或其它关键信息类似的(key-like)特征。当以紧密堆积的六边形阵列形式捆绑时，外倾32邻接毗连的管30的末端并防止直管30滑动。

在又进一步的实施方式中，如上面所注意的，在描述的优选的实施方式中所说明的管14可以用实心的光学上能透射的棒代替。这些棒可以是直壁的或可以是直壁的棒与在一端或两端具有凸缘、外倾或类似凸出体的棒的组合，如上面通过参考图8A和8B所详细说明的。这些棒的一端或两端可以是平的或可以是圆形的(例如半球形的或另外的圆形的)、锥形的等。

在一种示例性实施方式中，根据该公开内容的窗系统可以位于太阳能接收器的孔处且可包括一束由石英、硼硅玻璃(例如PYREX

)、玻璃、或蓝宝石或其它光学上能透射的材料制成的一个或多个管。

在另一示例性实施方式中，窗系统可以包括一束管，其中该束的直径显著地大于太阳能接收器的孔，允许使用夹子机构，目的是将管的阵列捆绑成平面模块，即，具有一般平面的光接收面。

在又一示例性实施方式中，窗系统还可以包括或含有用于提供对一束管的夹固支撑的夹持设备。夹持设备可以包含金属弹簧且可以被定位在束的较凉的外部区域。

在再一示例性实施方式中，如这里所描述的窗系统可以使用管，其中一个或多个管的一端或两端具有闭合的、例如半球形或另外的圆形的，例如，诸如在试管的闭合端中一般使用的端。

本发明已经参考优选的实施方式被描述。依据阅读和理解前面详细的描述，对于其它例子修改和改变将发生。意图是本发明被解释为包括所有这些修改和改变，只要它们在所附权利要求或其等效物的范围内。

Claims

1.一种用于太阳能接收器的窗系统，所述太阳能接收器为具有太阳能量接收室、限定到所述太阳能量接收室的开口的太阳能量接收孔以及在所述太阳能量接收室内容纳的太阳能量吸收器的类型的太阳能接收器，所述窗系统包括：

多个光学上能透射的构件，其由光学上能透射的材料形成；以及

所述多个光学上能透射的构件连接在一起以形成束状阵列。

2.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述光学上能透射的构件选自由细长管和细长棒组成的组。

3.根据权利要求1所述的窗系统，还包括：

带夹，其紧紧地配合在所述多个光学上能透射的构件周围以将所述多个光学上能透射的构件固定成所述束状阵列。

4.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述光学上能透射的构件的每个是具有外围壁、轴孔和延伸穿过所述轴孔的轴的管，且还包括：

所述束状阵列具有第一光接收侧和与所述第一光接收侧相对的第二侧；以及

所述第一光接收侧形成大体上垂直于所述管的轴延伸的、大体上平面的光接收面。

5.根据权利要求4所述的窗系统，其中所述管的每个具有外围壁，所述外围壁的横向厚度比所述管的直径小得多。

6.根据权利要求4所述的窗系统，其中所述大体上平面的光接收面具有比所述太阳能量接收孔的直径大的直径。

7.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述多个光学上能透射的构件以紧密堆积的六边形配置方式被布置在所述束状阵列内。

8.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述光学上能透射的构件的每个具有选自圆形和多边形的横截面形状。

9.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述光学上能透射的构件的每个是具有第一端和与所述第一端相对的第二端的管，且进一步其中一个或多个所述管的所述第一端和所述第二端中的一个或两个是圆形的、薄的、尖锐的或倒角的。

10.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述光学上能透射的构件的每个具有管状结构且具有第一端和与所述第一端相对的第二端，且进一步其中所述第一端是开口的且所述第二端是闭合的。

11.根据权利要求10所述的窗系统，其中每个光学上能透射的构件的所述第二端是闭合的、半球形端。

12.根据权利要求1所述的窗系统，其中每个光学上能透射的构件具有第一端和与所述第一端相对的第二端，且进一步其中所述多个光学上能透射的构件的一个或多个光学上能透射的构件的所述第一端和所述第二端中的一个或两个具有扩大的直径部分，所述扩大的直径部分与在所述束状阵列中的一个或多个毗连的光学上能透射的构件接合。

13.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述多个光学上能透射的构件的每个具有大于或等于3的长度直径比。

14.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述光学上能透射的构件的每个是具有范围在1-2英寸的直径的管状结构。

15.根据权利要求1所述的窗系统，其中所述光学上能透射的材料选自由下列项组成的组：石英、玻璃、硼硅玻璃、蓝宝石和金属氧化物。

16.一种太阳能接收器，包括：

腔；

孔，其用于接收进入所述腔的光；

太阳能吸收器，其设置在所述腔内；

多个光学上能透射的构件，其由光学上能透射的材料形成，连接在一起以形成束状阵列；以及

所述束状阵列被设置在所述太阳能接收器上所述孔处。

17.根据权利要求16所述的太阳能接收器，其中所述光学上能透射的构件的每个具有管状结构，且还包括：

所述束状阵列具有面向外的第一表面和面向内的第二表面，其中所述第一表面大体上是平面的且与由所述孔限定的平面对齐。

18.根据权利要求17所述的太阳能接收器，还包括：

所述腔包括被配置成避免被进入所述腔的太阳能量直接辐照的近侧部分和具有被配置成吸收进入所述腔的太阳辐射的吸收器的远侧部分，其中在所述近侧部分和所述远侧部分之间的边界限定吸收器平面；以及

所述束状阵列在所述孔处定位成使得第一光接收表面与由所述孔限定的所述平面对齐且所述第二表面延伸至所述腔内、在由所述孔限定的所述平面与所述吸收器平面中间的一距离。

19.根据权利要求17所述的太阳能接收器，还包括：

所述束状阵列在所述孔处定位成使得第一光接收表面与由所述孔限定的所述平面对齐且所述第二表面延伸至所述腔内的、与所述吸收器平面对齐或在所述吸收器平面之外的一距离。

20.一种用于制造太阳能接收器的方法，包括：

形成太阳能接收器，所述太阳能接收器是具有腔、用于接收进入所述腔的光的孔以及设置在所述腔内的太阳能吸收器的类型的太阳能接收器；

束紧多个光学上能透射的构件以形成束状阵列，所述多个光学上能透射的构件的每个光学上能透射的构件由光学上能透射的材料形成；以及

将所述束状阵列在所述孔处连接到所述太阳能接收器。