CN102388277A - 太阳能传递及存储设备 - Google Patents

Abstract

使用一组透镜(100)或反射镜采集太阳能(108)的设备，透镜或反射镜将太阳能汇聚在目标体(101)上。流过目标体(101)的气相工作流体被加热并可选地供应至蓄热器(102)，蓄热器具有内部的壁围成的合适材料的迷宫部(104)。热交换器(113)、涡轮机(114)和发电机(115)与采集及存储设备耦接，从而提供用于将太阳能转换为电能的动力装置。

Description

太阳能传递及存储设备

本发明涉及采集并传递太阳能的设备和方法，特别但并不完全地涉及利用作为能源的太阳辐射以及气相传热介质的发电设备，从而热能可被存储且可从用于发电的设备中提取。

电力形式的动力供应或能量供应通常需要能源，能源随后可转换为电力和/或作为电力被供应。通常，矿石燃料被用作能源来驱动用于发电的涡轮机。由于天然资源的减少以及面对气候变化，对用于发电的可再生能源进行了研究。具体地，太阳能作为传统的矿石燃料的替代能源受到了适度的关注。

太阳能采集装置得到了良好的建立并可根据两种类型进行分类。非聚光采集器直接接收太阳辐射，例如平行射线的辐射。通常，这样的装置包括可能被加热且传递及存储太阳辐射的太阳能电池板或光伏电池阵列。太阳能采集器的另一类型被称为聚光型，其使用透镜或反射镜组件将辐射反射或折射，从而将射线汇聚在作为更集中的太阳能覆盖区的目标体上。

WO2009/147651公开了用于汇聚太阳射线的太阳能发电系统，该太阳能发电系统用于使用气体循环或蒸汽循环和涡轮机来发电的热力循环中。太阳射线汇聚系统包括用于将辐射朝向适合的吸收体和堆积体反射的多个聚光镜。

US2009/0308072公开了使用由太阳辐射加热的工作流体的改进的布雷顿循环发动机(Brayton cycle engine)。具体地，存储单元内的金属氢化物材料被加热，从氢化物材料中得出的氢以可控的速率与材料重新化合进行放热反应以加热可压缩的布雷顿工作流体用于随后驱动与发电机耦接的涡轮机。

WO2010/019990公开了太阳能发电系统。该发电系统包括封闭的工作流体，其具有过热器、涡轮机、冷凝器、再冷却器、接收器和泵。工作流体被分为第一平行流和第二平行流。太阳能采集系统通过热交换器将第一流和第二流形式的工作流体加热。然后，第一流体流和第二流体流汇合、加热至过热并传递至涡轮机。

WO2010/021706公开了通过可再生的地热、风能以及太阳能源运行的基于蒸汽的动力装置。风能或太阳能被转换为电解单元中的氢。然后，生成的氢被提供到用于向涡轮机和发电器供应热能的锅炉。

WO2009/129166公开了包括蒸汽发电机和涡轮机的太阳能热电装置。使用太阳能将水转换为蒸汽。然后，过热器将来自蒸发器的蒸汽加热，从而提供要供应至涡轮机的过热蒸汽。

然而，通过太阳能的发电系统的运行来捕集太阳能并将太阳能用于发电的传统的基于太阳能的发电系统具有许多缺点，特别包括运行效率差。另外，传统的系统还主要由于没有足够的容量来存储捕集到的太阳能而受限。通常，传统系统的使用限制在炎热气候下，并且不断需要将受限的能量储存装置再充电，这样会导致在差的或恶劣的天气条件下难以获得动力或电力。

此外，传统的系统在热载体被限制在固有的限制运行输出温度时，采用液相或非气相工作流体。可意识到，发电时使用许多不同类型的具有不同效率的涡轮机。水基超临界工作流体涡轮机常被认为是最有效的，其迫使工作流体的温度保持在约400℃，并能够达到700℃。

因此，需要可解决上述问题的更好的利用可再生能源发电的设备及方法。

因此，发明人提供了基于太阳能的发电系统，该系统将太阳能有效地转换为便于存储且随后被转换为电能的热能。该系统包括透镜或反射镜阵列来利用太阳能并将太阳能汇聚在气相工作流体循环中的目标体上，气相工作流体循环可耦接至热能存储装置。合适的热交换器和涡轮机布置为耦接至流体循环和/或蓄热装置以在太阳能采集周期中以及可选地在太阳能采集周期之间按需提供电力供应。

根据本发明的第一方面提供了太阳能采集设备，包括：多个透镜和/或反射镜，用于接收并汇聚太阳辐射；多个目标体，分别接收从每个透镜和/或反射镜汇聚的太阳辐射；管道网络，包含气相工作流体并允许流体流动地接触目标体，使得工作流体被目标体加热。

优选地，该设备还包括蓄热装置，蓄热装置通过管道网络与目标体流体连通地连接以接收加热的工作流体，蓄热装置包括用于存储从工作流体接收的热能的蓄热材料。

优选地，目标体包括围绕管道网络的一部分定位的绝热护套。优选地，每个目标体包括传热体，随着工作流体流过目标体，传热体定位在工作流体的流径中。优选地，传热体包括多个金属板或散热片。优选地，护套包括玻璃窗口，从透镜或反射镜接收的汇聚的太阳辐射可通过玻璃窗口进入目标体。可替换地，护套包括孔，从透镜或反射镜接收的汇聚的太阳辐射可通过孔进入目标体。

优选地，设备还包括移动透镜或反射镜来追踪太阳位置的装置。更优选地，设备还包括自动移动透镜或反射镜来追踪太阳移动的装置。优选地，透镜包括菲涅尔透镜。

优选地，管道网络包括陶瓷基管件和/或黏土基管件。优选地，蓄热材料包括矿石基材料，矿石基材料可为至少一种类型的岩石，例如开采的石料或玄武岩。优选地，矿石基材料构造为由气体流道形成蓄热器中的迷宫部的壁。

可选地，设备还包括耦接至管道网络的至少一个气流泵和/或风机单元，气流泵和/或风机单元配置为驱动或促进工作流围绕管道网络流动地接触目标体、热交换器和/或蓄热装置。可选地，设备还包括定位在管道网络处的多个阀以控制围绕管道网络的工作流体的流动。

根据本发明的第二方面提供了用于将太阳能转换为电能的设备，包括：如本文所述的太阳能采集设备；热交换器，与管道网络和/或蓄热装置流体连通地连接，以接收加热的工作流体并将接收的热能传递；涡轮机，耦接至热交换器；以及发电机，耦接至涡轮机以生成电力。

优选地，热交换器的工作流体为水和蒸汽，特别包括超临界水。特别地，采集设备的管道网络中的气相工作流体能够被加热至400℃以上的高温，特别地可达到约700℃，700℃被认为是涡轮机的最大可运行温度。优选地，该采集设备的工作流体为空气，特别地为包括地面空气成分的大气。

根据本发明的第三方面提供了采集太阳能的方法，包括：使用多个透镜和/或反射镜接收并汇聚太阳辐射；从位于目标体处的每个透镜和/或反射镜接收汇聚的太阳能；使用管道网络允许气相工作流体流动地接触目标体从而加热工作流体。

优选地，该方法还包括将通过工作流体获取的热能存储在蓄热装置中，蓄热装置与目标体流体连通地连接，蓄热装置包括蓄热材料。

根据本发明的第四方面提供了将太阳能转换为电能的方法，包括：如本文所述地采集太阳能；将加热的工作流体从管道网络和/或蓄热装置传递至热交换器；使用热交换器的工作流体将涡轮机驱动，热交换器的工作流体已由管道网络和/或来自蓄热装置的热能加热；通过耦接至涡轮机的发电机发电。

根据一个实施方式提供了蓄热器，包括：外壳，具有配置为热隔绝的外壁，外壁限定出内腔；多个内壁，在腔中延伸，内壁包括石料；其中，石料壁布置为与行之间创建的流道成行，热交换介质能够穿过行流动；用于热交换介质的入口朝向每个流道的每个端部定位；位于外壳的出口允许热交换介质排出内腔；其中，热交换介质通过入口被供应至腔，并流过通道从而渗透与石料接触的壁，通过出口排出腔来将热能传递至腔中的石料。

可选地，将太阳辐射引导至目标体的装置包括至少一个反射镜，特别地包括槽镜、抛物面反射镜、圆镜或矩形镜。

优选地，该设备包括与每个透镜和/或反射镜和/或目标体连接的机械运动装置，以将透镜、反射镜和/或目标体的相对位置改变。特别地，目标体可配置为横向转动(从东向西)。另外，透镜或反射镜可配置为围绕两个轴(从东向西以及从北向南)机械地枢轴转动，从而全年且全天地追踪太阳的位置来将太阳辐射持续地汇聚在目标体上。

优选地，该设备包括多个工作流体管道，其形成为循环回路并与单个蓄热器或多个蓄热器连接。每个循环回路可包括多个目标体室，用于接收太阳辐射并将流过管道的流体加热。每个循环回路可包括相同或不同的透镜和/或反射镜布置。

优选地，热交换器为对流式热交换器，其中水从输入口流至热交换器的输出口并以与从蓄热器向热交换器供应热空气相反的方向被转换为蒸汽。

优选地，热交换器和涡轮机配置为使用超临界水运行，超临界水由通过目标体加热的气相工作流体依次直接加热，目标体依次由太阳辐射加热。本发明可包括可直接耦接至管道网络或如果采集设备包括合适的蓄热器则耦接至蓄热器的多个热交换器涡轮机系统。

如果本发明不包括工作流体网络中的蓄热器，则热交换器可耦接至传统的矿物燃料源且由矿物燃料源加热，从而在阳光不足的情况下持续地按需提供能量。

现在，将参照附图仅通过示例对本发明的具体实施方式进行描述，在附图中：

图1为根据本发明的具体实施方式的太阳能采集及存储设备的示意图，其中，太阳能采集和存储设备与热交换器、涡轮机和发电机耦接；

图2为图1所示的蓄热器的一部分的侧剖视图；

图3为图2所示的蓄热器的俯视剖视图；

图4为图3所示的蓄热器的一部分的俯视剖视图；

图5为由支承柱分隔的一段蓄热器内壁的侧向正视图；

图6为由支承盘堆分隔的一段蓄热器内壁的侧向正视图；

图7为图3所示的蓄热器的示意性侧向正视图；

图8A示意性地示出图2所示的蓄热器的俯视图，该蓄热器与多个太阳能目标体流体连通地耦接；

图8B为穿过图8A中的A-A的截面；

图8C为穿过图8B中的B-B的截面；

图9A示意性地示出根据本发明的具体实施方式的、具有接收太阳辐射的窗口的目标体室以及封装在目标体室内的辐射传递板；

图9B为穿过图9A中的C-C的截面；

图10A为根据另一实施方式的包括目标体室护套中的孔的目标体室剖视图的进一步的示意图；

图10B为穿过图10A中的D-D的截面；

图11为太阳辐射目标体的另一具体实施方式的剖视正视图，太阳辐射目标体从透镜接收太阳辐射；

图12示意性地示出通过管道网络与蓄热器流体连通地耦接的透镜阵列和相关的目标体，管道网络能够传递气相工作流体；

图13示出另一实施方式，其中，由反射镜替代透镜或作为透镜的补充将太阳辐射汇聚到目标体上；

图14示意性地示出另一实施方式，包括用于将太阳辐射直接汇聚到管道网络的管件上的布置在管道网络下方的槽镜；

图15示意性地示出图2所示的蓄热器的与热交换器耦接的一部分的剖视图；以及

图16为图15所示的热交换器的进一步的示意图。

参照图1，太阳能采集及存储设备包括多个透镜100，用于将太阳辐射108朝向多个相应的目标体101汇聚。每个目标体101通过形成为管件的管道网络103流体连通地耦接至蓄热器102。管件103能够承受600℃的特别高温，并包括为陶瓷基材料或黏土基材料的合适材料。

能量采集及存储设备与热交换器113、涡轮机114以及发电机115耦接，以提供用于将太阳能转换为电能的设备。

每个目标体101包括环绕的护套116，护套116热隔离出管道网络103的相对小的区域。窗口122设置在护套116的区域处，并由合适的玻璃或其它低吸收材料形成，允许传递由每个透镜100接收的汇聚的太阳射线108，透镜100配置为将太阳辐射107从太阳引导至每个目标体101上。特别地，窗口122配置为阻止或防止由加热的目标体(其接收相对较短波的太阳辐射)产生的长波辐射形式的太阳辐射的再发射。

蓄热器102位于目标体101的下游。蓄热器102包括多个内壁104，多个内壁104由配置为承受600℃高温的合适的蓄热材料(如岩石、石料或人工材料/合成材料)构成。壁104由流体流道117分隔，从而形成蓄热器102主体内的由壁围成的迷宫结构。蓄热器102位于热交换器113上游并与热交换器113流体连通，热交换器113依次与涡轮机114和发电机115流体连通。

在使用时，太阳辐射107由透镜100汇聚并穿过每个窗口122朝向目标体101汇聚，从而将流过管道网络103的气相工作流体105加热。工作流体流106从目标体101穿过合适的控制阀109流入蓄热器110。然后，加热的工作流体流111穿过矿石壁104，从而将热量传递至蓄热器102。然后，冷却空气120通过合适的控制阀109回流至管道网络103。

当需要发电时，存储器102内的热量由工作流体的流118提取，工作流体的流118由位于热交换器113与蓄热器102之间的合适的泵或风机112控制。然后，热量通过热交换器113从工作流体118传递至驱动涡轮机114，涡轮机114将热能转换为转动能，转动能再通过发电机115被依次转换为电能。然后，低温的工作流体流119通过控制泵或风机112回流至蓄热器102和/或管道网络103，从而在目标体区域101处被重新加热。

参照图2，每个基本垂直的石壁104可由两种不同类型的材料构成，从而将每个壁从垂直平面的中心分开来限定高温侧208和低温侧209。高温侧208包括玄武岩而低温侧209可由非特异性岩石207形成。

合适的绝热材料200包住迷宫部的石壁104，绝热材料200具有本领域技术人员可意识到的适当厚度。

绝热材料200可包括岩棉或玻璃纤维。绝热材料200还设置在工作流体流道117的底部，以将蓄热器102与下方的地面210隔绝。

参照图2和图3，为了给岩石迷宫部104提供结构性支撑，钢支承柱206布置为围绕最外侧壁104的外周。最外侧壁还由合适的框笼300支撑。最外侧的热绝缘材料200环绕钢支承柱206，并且热绝缘材料200自身包含在内钢网301与外钢网301之间。

在使用时，加热的气态工作流体通过管件103流入蓄热器102，并且流入在岩石壁104之间延伸的流体流道117。然后，加热的气体渗透穿过石壁的热的一侧208，从而将热能传递至矿石。加热的气体继续渗透穿过第二侧209进入相邻的流道117，随后通过再循环120进入管道网络103，从而在目标体101处重新加热以继续循环。蓄热器102内的气流管道可与管件103相同或由与管件103不同的材料组成。合适的孔和/或分流器205设置在管件204内以将气流202引导至的迷宫的流道117，并最终经过流动203通过石壁104。

参照图4，迷宫部的石壁104通过中间支撑支柱400支撑在蓄热器102内，中间支撑支柱400配置为将限定气流流道117的壁104的相对面之间的间隙连接。支撑支柱400彼此分开一定距离，该距离对应于壁104的每个独立岩石207的约一半直径。

图5示出图4所示的支撑支柱400的侧向正视图，支撑支柱400布置在相对的壁104的岩石207之间。图6示出另一实施方式，其中，由在流道117中彼此堆叠的一列盘600将壁104之间支撑。每个盘可通过机械紧固件紧固至其相邻的盘，机械紧固件与盘构成一体或不构成一体，包括预成型的夹具或砂浆基材料或水泥基材料。类似地，每个盘可通过砂浆基材料或水泥基材料紧固至相对的壁104。根据具体的实施方式，支撑支柱400、600由陶瓷基材料或黏土基材料形成。

参照图7，由支柱或卷缆柱对蓄热器102进行侧向支撑，支柱或卷缆柱附接至每个最外侧钢支承柱206的最上方区域以及地平面210处的合适的固定位置702。

横杆或横缆701在相邻的钢支承柱206之间延伸以为蓄热器102提供刚性支撑框架。根据具体的实施方式，蓄热器102的直径可为13m，高可为约9m，并且包含约1000吨的岩石。

参照图8A至图8C，管件103通过合适的绝热材料将其整个外周绝热，绝热材料可选地为适当厚度的岩棉或玻璃纤维。类似地，蓄热器102内的管件204也通过与上述绝热材料相同或不同的绝热材料800绝热。因此，工作流体的热损失被降至最低，从而提高了采集和存储设备的效率使得用于从太阳能发电的系统和处理过程最优化。本发明适合使用多个目标体101，这些目标体串联布置(例如位于上游的一组目标体)，并与蓄热器102流体连通。根据具体的实施方式，蓄热器102包括四个入口导管802，每个导管分别将相应的一组目标体101连接至蓄热器102的内室。因此，蓄热器102包括一个或多个出口，以将工作流体再循环至蓄热器102上游的每组目标体101。

参照图9A至图9B，每个目标体101包括环绕管件103区域的热护套116。多个导热板1000在目标体101的内室1001中纵向延伸，从而沿管道103的长度轴向延伸。导热板1000并列定位以在相对的表面之间留出小空隙，从而允许气态工作流体在其从相对于目标体101的上游位置1003向下游位置1004流动时经过，最终进入蓄热器102。来自太阳900的太阳辐射107通过透镜100汇聚在热护套116中形成的窗口122上。汇聚的辐射108由导热板1000接收，由于暴露在太阳辐射下导热板1000的温度升高。流至与导热板1000的暴露表面接触的气态工作流体102被依次加热。然后，该热能被传递至蓄热壁104的蓄热材料207。

图10A和图10B示出本发明的另一具体实施方式。孔1100设置在热护套116处，使得汇聚的辐射108直接进入护套内室1103，从而通过另外的孔1102接收于导热板1000，孔1102形成在目标体区域处的管件103中。发明人发现穿过孔1100的对流的热损失相对较小，并可约等于窗口122的材料的热吸收。绝热材料1101定位为从外部围绕热护套116，从而将目标体区域处的热损失最小化并确保从导热板1000至工作流体的有效热传递。

图11提供了目标体101的另一示意图。目标体101的中部1200被形成并制成特定尺寸以当工作流体从1203至1204流过目标体时创造紊流。特别地，凸出的偏向部1201将工作流朝向倾斜的壁1202向上引导，壁1202从窗口122朝向导热板1000延伸。因此，位于导热板1000区域处的工作流体的照射时间增加，使得热传递最大化。

图12示意性地示出两组平行的透镜100和目标体单元101，其中每组分别包括9个独立的透镜和目标体单元。每组中的每个目标体形成穿过蓄热器102的流体流动循环的一部分。出口管道1300从蓄热器102延伸，然后分成分开的管道1301来将工作流体提供至每个目标体组的开始处。然后，流体通过流动110从各组的最后目标体处进入蓄热器102，并将热能传递至120处的蓄热器出口以沿管道130流动。

合适的装置1302设置为将透镜100沿整个预定的网格空间1303自动移动以便全天且全年地追踪太阳的位置。每个透镜100通过装置1302还配置为响应于太阳运动而关于网格空间1304侧向移动，并确保太阳辐射持续地朝向目标体101汇聚。透镜100遍及空间1303和1304的移动发生在基于X轴、Y轴和Z轴的三个平面中。因此，每个透镜的中心能够移动遍及球表面的假想部分，使得每个透镜的中心持续指向目标体，透镜与目标体之间的分隔距离基本等于透镜的焦距。

图13示出另一实施方式，包括多个反射镜901，反射镜901配置为将从太阳900接收的太阳辐射朝向目标体窗口122汇聚。因此，每个目标体102包括相对应的反射镜901而不是透镜100，或每个目标体102除了透镜100之外还包括相对应的反射镜901。

图14示出另一可替换的实施方式，包括位于管道103下方的槽镜1400，从而将太阳辐射引导至管道103的下半区。绝热材料1401位于管道103的整个上半区，使得从反射镜1400汇聚的辐射103直接入射在管道103上。

参照图15和图16，蓄热器102耦接至热交换器113。热交换器工作流体1503从入口1502至出口1501循环穿过热交换器主体1500。出口1501耦接至涡轮机114的输入端，入口1502耦接至涡轮机114的输出端。热交换器113与蓄热器102的工作流体流体连通，使得(蓄热器102的)加热的流体1602流入热交换器1500的主体以将入口1502与出口1501之间的热交换器工作流体1503加热。然后，蓄热器102的冷却的工作流体1603流出热交换器主体1500并通过再循环1503进入蓄热器内室与最外侧绝热材料200之间的腔部1600。因此，该腔部1600提供了围绕蓄热器的另一冷却器的热层，从而减少壁围成的迷宫部104的热损失。

Claims (22)

1.太阳能采集设备，包括：

多个透镜和/或反射镜，用于接收并汇聚太阳辐射；

多个目标体，分别接收从每个所述透镜和/或反射镜汇聚的太阳辐射；

管道网络，用于包含气相工作流体并允许所述流体流动地接触所述目标体，使得所述流体由所述目标体加热。

2.如权利要求1所述的设备，还包括：

蓄热装置，通过所述管道网络与所述目标体流体连通地连接以接收加热的工作流体，所述蓄热装置包括蓄热材料以存储接收自所述工作流体的热能。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述目标体包括围绕所述管道网络的一部分设置的绝热护套。

4.如权利要求3所述的设备，其中，每个目标体均包括传热体，随着所述工作流体流过所述目标体时，所述传热体定位在所述工作流体的流径中。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述传热体包括多个金属板或散热片。

6.如权利要求3所述的设备，其中，所述护套包括玻璃窗口，从所述透镜接收的汇聚的太阳辐射能通过所述玻璃窗口进入所述目标体。

7.如权利要求3所述的设备，其中，所述护套包括孔，从所述透镜接收的汇聚的太阳辐射能通过所述孔进入所述目标体。

8.如前述权利要求中任一项所述的设备，包括移动所述透镜和/或反射镜以追踪太阳位置的装置。

9.如权利要求8所述的设备，包括自动移动所述透镜和/或反射镜以追踪太阳移动的装置。

10.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述透镜包括菲涅尔透镜。

11.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述管道网络包括陶瓷基管件和/或黏土基管件。

12.如权利要求2所述的设备，其中，所述蓄热材料包括矿石基材料。

13.如权利要求12所述的设备，其中，所述矿石基材料包括至少一种类型的岩石材料。

14.如权利要求12或13所述的设备，其中，所述矿石基材料被构造以形成由气流流道分隔的迷宫部的壁。

15.如前述权利要求中任一项基于权利要求的所述的设备，还包括至少一个气流泵和/或风机单元，所述至少一个气流泵和/或风机单元耦接至所述管道网络和/或所述蓄热装置，并驱动或促使所述工作流体围绕所述管道网络流动。

16.如前述权利要求中任一项所述的设备，还包括多个阀，所述多个阀定位在所述管道网络处以对围绕所述管道网络的所述工作流体的流动进行控制。

17.用于将太阳能转换为电能的设备，包括：

根据权利要求1至16中任一项所述的太阳能采集设备；

换热器，与所述管道网络流体连通地连接，从而接收加热的所述工作流体并将接收的热能传递；

涡轮机，耦接至所述换热器；以及

发电机，耦接至所述涡轮机以发电。

18.如权利要求17所述的设备，包括蒸汽涡轮机。

19.如权利要求17或18所述的设备，包括水基工作流体热交换器。

20.一种采集太阳能的方法，包括：

使用多个透镜和/或反射镜接收并汇聚太阳辐射；

从位于多个目标体处的每个透镜或反射镜接收所汇聚的太阳能；

使用管道网络允许气相工作流体流动地接触所述目标体以将所述工作流体加热。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：

将通过所述工作流体获取的热能存储在蓄热装置中，所述蓄热装置与所述目标体流体连通地连接，所述蓄热装置包括蓄热材料。

22.将太阳能转换为电能的方法，包括：

根据权利要求20或21所述的方法采集并存储太阳能；

将加热的工作流体从所述管道网络传递至热交换器；

使用所述热交换器的工作流体驱动涡轮机，所述工作流体通过来自所述管道网络的热能加热；

通过耦接至所述涡轮机的发电机发电。

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