CN102762931A - 有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳集热器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳能集热器及其设计方法，其中主反射器的几何形状是头盔型集热器概念向不连续的曲面的进化，能够将C/Cmax聚光度增加0.52以上以及减少风力载荷。将该架构最优化成禁得住该集热器受到的不同载荷。集热器的重心离集热器的旋转轴更近。使该二次聚光器的几何形状最优并且集热器的集热效率为100%。二次聚光器通过将玻璃管部分镀成镜子而获得，该玻璃管保持吸收管中的真空。

Description

有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳集热器及其设计方法

技术领域

该发明大体属于太阳热利用技术领域，尤其涉及由柱型线聚光器组成的系统。

背景技术

太阳热利用技术的总原理是基于将太阳辐射聚集起来加热液体能够传热并发电的概念。

太阳能集热及其聚光是太阳热电厂开发中面临的最大挑战之一。聚光器中主要有两种类型的技术：点聚光和线聚光。线聚光型因为有较低自由度而更容易安装，但是具有较低的聚光系数并因此可以达到比点聚光技术更低的温度。

这些点聚光器在碟状抛物面聚光器中和在塔中枢中有差别。在线聚光技术中，抛物柱面聚光器（PCC）是最成熟的聚光系统而且现在有一些菲涅耳型线聚光器（FLC）出现。

菲涅耳集热器由主系统和二次系统构成。主系统由一系列相互平行的平的或微弧形的反射镜形成，具有负责发射并将太阳辐射朝向二次系统的移动结构。辐射到达二次系统的开口而且由一些镜子重定向到吸收器管所在的虚焦点“管”。

将这个二次系统升高到高于镜子区域几米并负责对主系统发射的太阳辐射进行二次聚光以及朝着吸收器管定向太阳辐射。

抛物柱面技术是历史深远的更成熟的技术，这证明它准备好了被大规模安装。这种技术从20世纪80年代就已经在市场上出售安装，有异常优越的表现。自此，成本和性能水平已经得到显著的改进。目前，操作上有300MW，结构上有400MW，而且总提升大约6GW。

抛物柱面技术的操作基于太阳跟踪并将太阳光线会聚到位于抛物柱面集热器的聚焦线上的一些热效率高的接收器管上。在这些管中，热输送流体，比如合成油，由被会聚的太阳光线加热至近似400°C。这种油经由一系列热交换器泵送以产生过热蒸汽。存在于蒸汽中的热通过常规的蒸汽涡轮和交流发电机转换成电能。

抛物柱面技术中主要的太阳能部件是：

·抛物柱面反射器：抛物柱面反射器的任务是将撞击在表面上的太阳直接辐射反射并会聚至吸收器管。该镜子表面用加在支座上的银或铝膜获得，该支座给镜子提供足够的稳固性。目前，最常用的支座装置是金属、玻璃和塑料片。这就形成了主反射器。

·吸收器管：一般，吸收器管主要有两个由真空层分隔的同心管。被加热的流体循环通过的内管由金属制成，而且外管由玻璃制成。工作流体随技术的不同而不同。对于低温(<200°C)，脱钙的水通常与乙二醇一起使用，而对于更高温度(200°C<T<450°C)，则使用合成油。这种最新技术通过在管上加高压而使蒸汽得以直接生成或者还使用盐作为换热流体。

·太阳跟踪系统：最普通的跟踪系统由将集热器的抛物柱面反射器绕纵轴旋转的设备构成，旋转的方式是光线一直与这个纵轴正交并与这个碟状面的光轴平行。

·金属架构：该集热器的架构的任务是向构成集热器的这组零件提供稳固性。

在现有的抛物柱面集热器的情况下，在设计的撞击角度内到达碟状面的所有光线被反射到吸收器管上。这个聚光器的集热效率为100%，集热效率定义为在主系统的接收角内撞击的能量到达该吸收器管的百分比。可以检测到现有抛物柱面集热器的聚光为26个太阳左右，而热力学的第二原理肯定地描述了可以达到83个太阳。也就是说，理论上，现有的集热器的聚光仍然会在保持同样的接收角度的情况下增加3.19倍。

整个近代史已经有通过使用二次聚光器来增加抛物柱面集热器的聚光的各种尝试。其中受到推荐的尝试是将CPC(复合抛物面聚光器)类型的聚光器用于管状接收器可以达到集热效率为100%的最大聚光。然而，从实用的角度出发，这个二次聚光器呈现出一些重要的缺陷，使其不利于使用。在某些情况下，二次系统连同该吸收管一起必须从该主碟状面移开，在其他情况下，有复杂并且难以制造的二次几何形状生成。然而，最重要的缺陷是二次聚光器必须与该吸收器管保持接触或非常接近，这迫使设计者确定该二次聚光器在保持真空的玻璃管里面的位置，或者实施没有真空并且没有玻璃管的方案，这些是在一些菲涅耳类型的聚光器中已经试过的概念。相似的情况会发生于TERC(单纯边缘光线会聚器)二次聚光器。

因此从二次系统保持静止并且与主系统机械上分开的菲涅耳集热器的角度来说CPC或TERC类型的二次聚光器的使用更加无可非议，其中主系统和二次系统之间可以分开更远而且/或者可以热隔离该机组而不使用真空而且部分使用二次聚光器本身。菲涅耳集热器传统上宣扬的其他优势是这种类型的集热器由于主系统离散化成较短的区段之后作用在主镜上的风力载荷减少所以能减少结构成本等，还有优势是到达该管的太阳辐射在其整个一周上减少其所受到的热应力。

回头看抛物柱面集热器，暗示了请求保护的该发明最接近的背景技术的另一个优势是公开文献（Benitez等，1997年），其中提出两种新型的用于管状接收器的太阳聚光器，我们知道是“蜗牛型（Snail）聚光器”和“头盔型（Helmet）聚光器”，其主要特征是在二次聚光器和吸收器管之间有间隔或空隙，这可以利用玻璃管作为内部一周的镜子部分并生成二次聚光器。蜗牛型集热器（因为是蜗牛形状的二次聚光器所以这样称呼）和头盔型集热器（因为是头盔形状的二次聚光器所以这样称呼）之间的差异之一是后者对称（像常规的抛物面聚光器那样）而前者不对称。

这些设计的与众不同和创新之处在于主反射镜不再被迫有抛物面的几何形状；但是没有描述（至少发明人还没有发现）该方法设计一种新的几何形状并使其更有效。

从这种意义上说，Benitez等在他们的文章“用于管状吸收器的非接触的两级聚光器”中更改了文献，用头盔型集热器对于主系统±0.73°的接收角可以达到72.8%左右的C/Cmax，二次系统和吸收器管之间分开距离为吸收器管的半径的12.1倍，半开度角为86.2°，集热效率为96.8%，在二次系统上的平均反射数为0.40左右。

有了构建抛物柱面集热器厂中积累的经验，可以证明从集热器花费的角度来说架构是花费最多的元件。

头盔型集热器概念中的一个缺陷是如果我们不减小吸收器管的直径-这是保持载荷损失受控的处理所必需的-前述相对于现有集热器的聚光增加使主系统的开度增加。如果主反射器开始增加开度则集热器架构上的花费恶化，由于风力载荷变得很大，以至于经济最佳策略会表明需要采取有离散化的主系统或菲涅耳型的方案。而且，在上述条件下，该头盔型概念，即使有与现有系统相同的半开度角，也意味着增加吸收器管和主反射器之间现有的分开距离，这对于第二次会对集热器的结构不利。

因而，这个发明中心思想在于开发参数圆柱形集热器，始于头盔型概念并在此基础上进化，使主反射器的几何形状最佳，脱离了现有的常规抛物面几何形状，但是保持架构要求并且具有与现有系统相同的或比现有系统更低的成本。

发明内容

该发明涉及一种线聚光器，下文所称的参数柱面聚光器而且有一种最优化的二次聚光器。

它是一种创新的对称的太阳能集热器，由主镜、二次聚光器和吸收器管形成，主镜具有光学上最佳的几何形状以使总聚光最大。

主反射器的几何形状是不连续的曲面，能够将聚光度C/Cmax增加0.52以上-比现有的高65%-以及减少风力载荷。将该架构最优化成禁得住该集热器受到的载荷，而且集热器的重心离集热器本身的旋转轴很近。

最优化二次聚光器的几何形状并且集热器的集热效率为100%。二次系统的平均反射数被最小化并且低于0.15。

集热器的设计过程在该发明的具体实施方式中被逐步描述。

主反射器不连续而且由两个或更多个区段构成-它们中的两个是参数且对称的，另一区段为有一段或几段的抛物面，位于前述参数区段之间的中心-具有与现有的抛物柱面集热器相同的半开度角。这种不连续造成了净聚光度上1或2百分点的较小损失，不像没有不连续性的情况那样而且抛物面区段越接近吸收器管损失越大。进而，该集热器的集热效率保持在100%，主反射器上的点到吸收器管中心的平均距离相对于没有不连续性的情况减小15％，使二次系统反射的平均数最小。

集热器架构的中心体嵌入所述非连续处，使吸收器管离该架构更近，减小风力载荷并使集热器的重心离该集热器本身的旋转轴更近。最终，由于集热器的设计中牺牲了一些开度增加而使接收角增加所以双反射效应可以抵消。

如果需要建立更多不连续处的几个区段，则可以将该抛物面区段分开。

二次聚光器的制造是将玻璃管的一部分镀成镜子，玻璃管保持吸收器管的真空并确保所有光线到达该真空管。

该真空管包括圆形或非圆形的内管，一般由钢制成，具有选择性的吸收涂层，使太阳光被吸收得最多而且使由温度造成的它的辐射系数最小，而且通过将几何形状为圆形或非圆形的玻璃管部分镀成镜子并使其光学上最优从而增加太阳光在钢管上的会聚。玻璃管的非镜子部分具有防反射涂层以使太阳光的吸收最好。接收器管作为整体具有两个功能：它将起到接收器管和二次聚光器的作用。形成它的两个管可能是同轴或不同轴而且它们之间可能是真空的或非真空的。内管具有接受任何范围的操作压力的大小，由金属材料或合金或金属陶瓷或具有功能梯度FGMs属性的材料或者其他材料制成，以使该管里面循环的换热流体可以是以下任何一种：油、水、CO₂、盐、离子液体或其他物质。

因此，所提出的概念融入了两种经典的线性集热器的优势，它们是：

·整个太阳日的光学效率高，

·主反射器的开度增加而且聚光增加，

·风力载荷减少而且集热器的架构的成本减少，

·由于吸收器管整个一周都被照亮而造成热应力上的表现的改进，

·集热器的热损失减少不仅由于聚光度增加，还因为吸收器管不再在其辐射交换时看向天空而是通过它的后背区段看向二次聚光器，

·而且能够增加集热器的工作温度并且用直接生成的蒸汽或新的换热流体来增加能量区域的效率。

附图说明

为了完成描述，其中附有一组图形，具有图示说明的非限制性的特征，已经表示如下：

图1示出现有技术的蜗牛型集热器，

图2示出现有技术的头盔型集热器，

图3示出该发明的参数柱面集热器，

图4示出改进的吸收器管，

图5示出二次聚光器上光线跟踪的详细情况。

用附图标记指引的部件表示：

1．主反射器

2．二次聚光器

3．接收器（玻璃管+吸收器管）

4．太阳辐射

5．最佳的二次聚光器

6．吸收器管

6’．玻璃管

7．架构的中心体

8．该发明的主反射器的抛物面区段

9．该发明的主反射器的参数区段

10．被镀成镜子的区域

具体实施方式

这个发明涉及一种具有最佳的二次聚光器的参数圆柱形的太阳聚光器。

图1和图2示出该发明考虑的与所要求保护的发明最接近的现有技术。图1示出蜗牛型集热器，图2示出头盔型集热器。在这两种情况下，二次系统（2）位于接收器（3）的外边和上方。在蜗牛型聚光器（图1）中，采用导致太阳光线（4）向接收器（3）反弹的螺旋几何形状。在头盔型集热器（图2）中，主反射器（1）是不连续并且对称的，留有中间空隙或空闲间隔放置二次系统（2），虽然离接收器（3）更近却还使光线（4）在其上反弹。

图3示出该发明的集热器。主反射器的几何形状是非连续型的，这意味着存在几个空隙或间隔和/或沿着它的不连续处。所述接收器是对称并且几何形状为从其整个长度上看的非抛物面。

尤其是，该发明的主反射器的几何形状包括离吸收器管（6）较近的初始的抛物面区段（8）和分成两个对称部分的第二参数区段（9）。

该集热器的设计过程如下（见图3）：

·φ是撞击该主反射器（1）的辐射的接收角的一半，首先对于限制在等于2φ的开度角θ中可以发光的点得出曲面的几何位置，以使前述光束（4）的边缘光线最终与吸收器管（6）相切，边缘光线中的一个没有在二次聚光器（5）上反射而且其后的另一个在所述二次聚光器（5）上单次反射。获得这个曲面的端点（11）、二次聚光器（5）的整个几何形状、镀成镜子的部分（10）以及吸收器管（6）和玻璃管（6’）之间的相对位置，这是通过强加对称条件并且对于所讨论的点（11）迫使上述端部光线之间的所有中间光线（4）在二次聚光器（5）中一次反射或没有反射之后到达吸收器管（6）。

·其次，通过点（11）的曲面确保与波阵面正交的撞击光线被反射到与该吸收器管（6）相切，该波阵面相对于水平面在顺时针方向倾斜角度φ。上述两个曲面在点（11）和（11’）相交而且限定了主反射器右侧的参数区段（9）的曲面范围。主反射器左侧的参数区段与右侧的对称。

这样就可以限定几何形状使100%的光线得以撞击参数曲面，入射角包括在设计的接收角内，从而反射到达吸收器管。

·主反射器的几何形状的第二区段是抛物面区段（8）。抛物面区段（8）的两个端点（12）都满足三个条件：它们是对称的，它们以大于或等于所设计的范围的接收范围看向管（6）而且它们不阻挡由点（11’）及其对称的点所反射的光束。证明这两个点都是主系统的几何形状中的不连续处。

集热器架构（7）的中心体嵌入所述不连续处，使吸收器管（6）离架构（7）更近，减少了风力载荷并使集热器的重心离集热器本身的旋转轴更近。

尽管在优选实施例中抛物面区段（8）是单个的，但是可以将它本身分成几个区段，造成更多数量的不连续处。

最优化的二次聚光器（5）的制作是将玻璃管部分镀成镜子，该玻璃管保持吸收管的真空并确保所有光线到达该真空管。

图4示出接收器管，该管包括内管（6）和玻璃管（6’），内管（6）为圆形或非圆形，由特定材料制成并且加涂层使太阳光被吸收得最多并使由温度造成的它的辐射系数最小，将几何形状为圆形或非圆形的玻璃管（6’）部分镀成镜子（10）而且光学上最优化成增加太阳光在钢管（6）上的会聚。在玻璃管（6’）没有镀成镜子的部分中，有防反射涂层来使太阳光被吸收得最好。接收器管作为整体具有两个功能：将起到接收器管的作用而且起到最佳的二次聚光器（5）的作用。形成它的这两个管（6，6’）可能同轴或不同轴而且它们之间可能是真空的或非真空的。

内管（6’）具有接受任何范围的操作压力的大小，而且它的材料应当使管里面循环的换热流体可以为如下任一种：油、水、CO2、盐、离子液体。

图5示出所设计的主系统的接收角内所包括的不同的入射角。该图示出太阳光线如何撞击在二次聚光器上以最终来到吸收器管。

太阳能接收器的这种设计尤其为用于太阳热利用技术的线性集热器而构思的，但是不排除通过进行必要的调整而在其他领域中的应用比如光伏技术或者应用于卫生热水或工业热的生成。

Claims (7)

1.有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳能集热器，是头盔型集热器的进化，由整体几何形状为非抛物面的对称非连续的主反射器形成，其特征在于，该主反射器的几何形状包括至少两个几何形状为参数面（9）的对称区段和位于两个参数面区段之间的中心的抛物面区段（8），抛物面区段的位置比几何形状为参数面（9）的对称区段离吸收器管（6）更近，最佳的二次系统（5）起到接收器管的作用并且起到二次聚光器的作用，该接收器管包括内吸收器管（6）和外玻璃管（6’），该内吸收器管具有选择性的吸收涂层，该外玻璃管被部分镀成镜子（10），被镀成镜子的部分位于该玻璃管外面或里面。

2.根据权利要求1所述有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳能集热器，其特征在于，集热器架构（7）的中心体嵌入在主反射器（9）对称区段之间形成的不连续处，集热器的重心离该集热器本身的旋转轴非常近。

3.根据权利要求1所述有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳能集热器，其特征在于，将抛物面区段（8）分成几个分立的区段。

4.根据权利要求1所述有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳能集热器，其特征在于，该玻璃管（6’）没有镀成镜子的部分具有防反射涂层以使太阳光被吸收得最好。

5.根据权利要求1所述有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳能集热器，其特征在于，该内吸收器管（6）和外玻璃管（6’）同轴。

6.根据权利要求1所述有最佳的二次聚光器的参数柱面太阳能集热器，其特征在于，该内吸收器管（6）和外玻璃管（6’）几何形状为非圆形。

7.参数柱面太阳集热器比如上述权利要求中所述的集热器的设计方法，包括如下各阶段：

-φ是撞击该主反射器（1）的辐射的接收角的一半，首先对于限制在等于2φ的开度角θ中可以发光的点得出曲面的几何位置，以使前述光束（4）的端部光线与吸收器管（6）相切，端部光线中的一个没有在二次聚光器（5）上反射而且其后的另一个在所述二次聚光器（5）上单次反射；获得这个曲面的端点（11）、二次聚光器（5）的整个几何形状、镀成镜子的部分（10）以及吸收器管（6）和玻璃管（6’）之间的相对位置，这是通过强加对称条件并且对于所讨论的点（11）迫使上述端部光线之间的所有中间光线（4）在二次聚光器（5）中一次反射或没有反射之后到达吸收器管（6）。

-其次，通过点（11）的曲面确保与波阵面正交的撞击光线被反射到与该吸收器管（6）相切，该波阵面相对于水平面在顺时针方向倾斜角度φ；上述两个曲面在点（11）和（11’）相交而且限定了主反射器右侧的参数区段（9）的曲面范围；主反射器左侧的参数区段与右侧的对称。

-主反射器的几何形状的第二区段是抛物面区段（8）；抛物面区段（8）的两个端点（12）都满足三个条件：它们是对称的，它们以大于或等于所设计的范围的接收范围看向管（6）而且它们不阻挡由点（11’）及其对称的点所反射的光束。证明这两个点（12）都是主系统的几何形状中的不连续处。

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