CN102869928A

CN102869928A - 太阳能收集系统

Info

Publication number: CN102869928A
Application number: CN2011800129093A
Authority: CN
Inventors: G.科亨; R.埃泽尔
Original assignee: Siemens Concentrated Solar Power Ltd
Current assignee: Siemens AG; Siemens Concentrated Solar Power Ltd
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2013-01-09
Also published as: WO2011110415A1; EP2521885A1

Abstract

提供被构造成用于太阳能热电站的太阳能收集系统。太阳能收集系统被设计成促进从中流过的传热流体（HTF）对入射太阳辐射的热能的捕获，并且包括：纵向延伸的集中器，其被设计成将入射太阳辐射的至少一部分朝向其焦线反射；热收集元件（HCE），其与焦线一致并且包括承载HTF的管以及围绕管的透明外罩。所述集中器包括被构造成镜面反射入射太阳辐射并且增加其仰角的光整流设置。

Description

太阳能收集系统

技术领域

本发明涉及太阳能热电站，并且具体地涉及设计用于这种电站以从其收集太阳能的太阳能收集系统。

背景技术

基于对全球变暖的考虑以及对于非可再生能源枯竭和动力需求增加的预测，能量供应商越来越多地寻求替代性一次能源。一种这样的能源是太阳能，并且一种利用太阳能的方式是采用太阳能热电站。

一种太阳能发电站利用“辐射集中收集器”，其通过使得太阳辐射聚焦到较小面积（例如使用镜面或透镜）来集中太阳辐射。在这种系统中，通常是抛物线型的反射器接收进入的太阳辐射并将其反射（聚焦）到被形成为管的辐射吸收器上。管式辐射吸收器被经处理的玻璃外罩管同心地围绕以便限制热损。收集器系统还包括跟踪太阳的装置。

为了最小化通过对流和传导损失的热并且提高太阳辐射收集效率，管式辐射吸收器和玻璃外罩管之间的空间被排空到非常低的压力。

管式辐射吸收器由金属制成且具有涂层，该涂层具有大的太阳辐射吸收系数以便最大化从反射器反射的太阳辐射所施加的能量传递。构成传热介质的传热流体（通常是例如油的液体）在管式辐射吸收器中流动。

热流体传输的热能之后被用于给蒸汽-电力发电站提供动力来驱动其一个或更多个涡轮机，以便以常规方式产生电力，例如通过将每个涡轮机的轴杆联接到发电机。

发明内容

根据当前公开的主题的一方面，提供被构造成用于太阳能热电站的太阳能收集系统，太阳能收集系统被设计成促进从中流过的传热流体（HTF）对入射太阳辐射的热能的捕获，并且包括：

-纵向延伸的集中器，其可以水平延伸（即平行于平地延伸），被设计成朝向其焦线反射入射太阳辐射的至少一部分；以及

-热收集元件（HCE），其与焦线一致并且包括承载HTF的管以及围绕管的透明外罩；

其中所述集中器包括被构造成镜面反射入射太阳辐射并且增加其仰角的光整流设置。

光整流设置可以包括在面向HCE的集中器的内表面上形成的多个齿，所述齿包括前方的面向太阳辐射的前表面以及后表面。

前表面可以被构造成增加从其反射的撞击太阳辐射的仰角。

后表面可以被设计成不与前表面反射的太阳辐射干涉。

后表面可以基本垂直于集中器延伸的方向来设置。

集中器可以在与其延伸的方向垂直的方向上具有抛物线型横截面，所述齿沿抛物线延伸。

集中器可以被构造成沿单个跟踪轴线跟踪太阳，该跟踪轴线垂直于集中器延伸的方向，所述齿在包含跟踪轴线且与HCE垂直（即与集中器延伸的方向垂直）的平面内延伸。

集中器可以被构造成通过绕与跟踪轴线垂直的枢转轴线枢转而跟踪太阳。

HCE的透明外罩可以由玻璃制成。

HCE的管和透明外罩可以被设置成同心圆筒。

HCE的管和外罩之间的空间可以被排空。

HTF可以从由热油、蒸汽/水、熔融盐、二氧化碳和氦构成的组中选择。

集中器可以包括具有抛物线型横截面的反射表面。

根据当前公开的主题的另一方面，提供包括热-电发电站和上述太阳能收集系统的太阳能热电站，该太阳能收集系统与热-电发电站连通以便向其提供驱动其运转的热。

附图说明

为了理解本发明并且了解可以实际上怎么样实现本发明，现在参考附图仅通过非限制性示例的方式描述实施例，附图中：

图1是根据本公开的太阳能热电站的示意图；

图2是图1所示太阳能热电站的太阳能收集器的示意性立体图；

图3是图2所示太阳能收集器的热收集元件的示意性立体图；

图4是沿图3中的线VI-VI截取的热收集元件的部分横截面图；

图5是示出处于各种入射角的入射角损失的曲线图；

图6A是图2所示太阳能收集器的集中器的示意性立体图；

图6B是沿图6A中的线VI-VI截取的集中器的部分放大横截面；

图6C是根据一种改型的沿图6A中的线VI-VI截取的集中器的部分放大横截面；以及

图7示出了入射太阳辐射的示例，其具有穿过图2所示太阳能收集器的光整流器的大仰角。

具体实施方式

如图1示意性所示，提供一种太阳能热电站，其大致由10标号。电站10包括太阳能收集系统12和蒸汽-电力发电站14。电站还包括加热电路16。

太阳能收集系统12被构造成利用撞击太阳辐射来加热传热流体（HTF）。被加热的HTF经由加热电路16被携带到蒸汽-电力发电站14，其中被加热的HTF被用于产生蒸汽来驱动该电站的涡轮机，从而产生电力。这样的系统是本领域已知的并且尤其地由Siemens Concentrated Solar Power, Ltd提供。

太阳能收集系统12包括一个或更多个太阳能收集器18（图1中仅示意性示出其中一个），每个太阳能收集器18包括HCE 20（其构成加热电路16的一部分）以及一个或更多个纵向延伸（即伸长的）集中器22。HCE 20携带HTF，该HTF可以是热流体，例如油（苯基），且其是商业可获得的，例如商标Therminol^® VP-1名下的。替代性地，HTF可以是蒸汽/水、熔融盐、二氧化碳和氦中的一种。根据任意实施例，热流体在其暴露于太阳辐射时在HCE 20中被加热。

如图2所示，集中器22各自具有抛物线型横截面，即在与集中器延伸的方向垂直的横截面上是抛物线型，从而在其端部26之间限定进入区域24。每个集中器的内（面向HCE）表面22a是高反射的，并且可以为此目的被形成为或设有镜。其与HCE 20置于一起以使得HCE位于其焦线并且沿其焦线延伸。与其垂直地进入集中器22的太阳辐射被反射朝向HCE 20。

为了保持到达集中器22的撞击太阳辐射的正确取向以使其将被正确地反射朝向HCE 20，提供跟踪装置（未示出），其被构造成使得集中器绕与HCE平行（即平行于集中器的焦线）的轴线枢转。因此，集中器被认为是沿跟踪轴线T跟踪太阳，该跟踪轴线T垂直于集中器的HCE/焦线。

如图3所示，HCE 20包括透明外罩28，该透明外罩28可以由例如玻璃制成且围绕承载HTF的管30。随着HTF流动通过HCE 20，该HTF就是在这些管内被加热。外罩28和管30可以被形成为同心设置的圆筒。外罩28和管30之间的空间被排空，因此将管热绝缘于周围大气。管可以设有一个或更多个涂层，其被设计成增加吸收太阳辐射并且限制由其辐射的热的量。

如图4所示，撞击在外罩28上的太阳辐射从其穿过，在其每个表面处折射（入射角90度时折射角是0度），并且从其穿过，如线A所示。在每个表面处，有些辐射被反射走并且因而损失，如线A’所示。这种被反射的辐射不被回收，并且导致了入射太阳辐射中被用于生成有用能量的能量减少（即通过将HTF加热到较低温度，从而导致了太阳能热电站10生成的电力量的降低）。被反射的辐射的量关联于辐射入射到外罩的入射角。具体地，越偏离于90度入射角，则这些损失就越大。

类似地，当太阳辐射从集中器22的镜面内表面22a反射出时损失一些光。与镜面内表面22a有关的损失量也随着距其横截面呈90度入射角的偏离角增大而增加。

这两种损失（被称为入射角损失）能够一起被量化为入射角修正（IAM），其取决于集中器22和外罩28的物理特性，包括但不限于尺寸、材料等。此外，其随着撞击在太阳能收集器18各元件上的太阳辐射的仰角而减小（虽然其不必然随仰角线性减小）。考虑到这些损失（与不存在这些损失时撞击的量相比），撞击在HCE 20的管30上的太阳辐射通量（且因而由太阳能热电站10最终产生的电量）与IAM相关（即较小的IAM关联于撞击在HCE的管上的较小的太阳辐射通量）。

如图5所示，在太阳具有非常大的入射角的情况下（且因此，因为入射角和迎角互补，所以具有小的仰角），这通常是在冬天，则入射角损失且因此太阳能热电站10产生的能量的量的减小是显著的。

为了减少入射角损失，太阳能收集器18可以设有被设计成增加撞击太阳辐射的仰角（即减少偏斜角）的装置。

如图6A和图6B所示，一些或全部集中器22可以包括这样的装置。根据一种示例，其内表面22A可以被形成为具有齿32，从而构成光整流设置。如图6B最佳示出，每个齿32包括前表面34和后表面。

齿32被形成为使得它们垂直于集中器22的长度（沿抛物线的长度）延伸，即垂直于HCE 20延伸的方向延伸。因此，齿32在与跟踪轴线T垂直且垂直于HCE 20和集中器22延伸的方向的平面内延伸。

前表面34被设置成面向撞击太阳辐射并且构造成镜面反射撞击在其上的太阳辐射。后表面36被设置成背离撞击太阳辐射，并且可以被形成为垂直于集中器22的长度（即垂直于其延伸的方向）或者稍成角度。在任意情况下，齿32被设计成不与前表面34反射的太阳辐射干涉，即，使得从一个齿32的前表面反射离开的入射太阳辐射不撞击到相邻齿的后表面36上。

如图6B所示，以仰角φ₁撞击在集中器22的倾斜部分32上的入射太阳辐射（以A标示）以增大的仰角φ₂从其反射。（为了参考和图释目的，射线A’示出了在从“平坦”集中器反射离开之后入射太阳辐射A将遵循的路径，即在没有任何光整流设置的情况下的路径）。因为偏斜角θ大致是仰角的补角，所以将意识到仰角的这种增加将减少入射角损失。

设计者考虑到太阳在一年中的仰角及其他因素来确定倾斜部分32的几何形状，包括形成其前和后表面34、36所处的角度、其尺寸等等。

根据一种改型，如图6C所示，集中器22的内表面22a可以是平坦的，且光整流设置在其下方。根据这种改型，例如由玻璃、PMMA或任意其他适当材料制成的透明盖35被置于齿32上。其顶侧35a是平坦的，而其底侧35b被形成为接触齿32。根据这种改型，光整流设置操作成执行其功能，而内表面22a是平坦的，从而例如有助于其简单的清洁。

如图7所示，参考图6A和图6B在上文所述的光整流设置，在冬天该光整流设置反射撞击太阳辐射以使得其取向更靠近竖直线并且因此减少此时的入射角损失（从而导致太阳能热电站10产生的电量增加），在夏天该光整流设置会“过度反射”太阳辐射，即，将其反射成使得其离开光整流设置（且因此撞击在集中器22上）时具有的偏斜角θ₂大于太阳辐射从“平坦”集中器反射离开时的偏斜角（其偏斜角由θ₁标示；将意识到仅为了清楚的目的就偏斜角方面展开本讨论，并且较大偏斜角等同于较小仰角），尽管其成角度地偏离开太阳辐射撞击的方向。

设计者可以通过考虑并设计以便减少一年中的总体入射角损失来解决参考图7在上文描述的现象。

转回图1，如上所述在HCE 20中被加热的HTF流动到蒸汽电力发电站14。该HTF在其中被使用，例如在一个或更多个热交换器38中使用，以便加热工作流体，该工作流体驱动一个或更多个涡轮机40以驱动发电机42来生成电，如本领域所公知的。

本发明涉及领域的技术人员将容易地意识到在不背离本发明范围的情况下可以做出大量修改、变化和改型。

Claims

1.一种被构造成用于太阳能热电站的太阳能收集系统，所述太阳能收集系统被设计成促进从中流过的传热流体（HTF）对入射太阳辐射的热能的捕获，并且包括：

纵向延伸的集中器，其被设计成朝向其焦线反射所述入射太阳辐射的至少一部分；以及

热收集元件（HCE），其与所述焦线一致并且包括承载所述HTF的管以及围绕所述管的透明外罩；

其中所述集中器包括光整流设置，其被构造成镜面反射所述入射太阳辐射并且增加其仰角。

2.根据权利要求1所述的太阳能收集系统，其中所述集中器水平延伸。

3.根据权利要求1和权利要求2中任意一项权利要求所述的太阳能收集系统，其中所述光整流设置包括在集中器的面向所述HCE的内表面上形成的多个齿，所述齿包括前方的面向太阳辐射的前表面以及后表面。

4.根据权利要求3所述的太阳能收集系统，其中所述前表面被构造成用于增加从其反射的撞击太阳辐射的仰角。

5.根据权利要求3和权利要求4中任意一项权利要求所述的太阳能收集系统，其中所述后表面被设计成不与所述前表面反射的太阳辐射相干涉。

6.根据权利要求5所述的太阳能收集系统，其中所述后表面基本垂直于所述集中器延伸的方向来设置。

7.根据权利要求3至6中任意一项权利要求所述的太阳能收集系统，其中所述集中器在与其延伸的方向垂直的方向上具有抛物线型横截面，所述齿沿所述抛物线延伸。

8.根据权利要求3至7中任意一项权利要求所述的太阳能收集系统，其中所述集中器被构造成沿单个跟踪轴线跟踪太阳，所述齿在包含所述跟踪轴线且与所述HCE垂直的平面内延伸。

9.根据权利要求8所述的太阳能收集系统，其中所述集中器被构造成通过绕与所述跟踪轴线垂直的枢转轴线枢转来跟踪太阳。

10.根据前述权利要求中任意一项所述的太阳能收集系统，其中所述HCE的透明外罩由玻璃制成。

11.根据前述权利要求中任意一项所述的太阳能收集系统，其中所述HCE的所述管和所述透明外罩被设置成同心圆筒。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的太阳能收集系统，其中所述HCE的所述管和所述透明外罩之间的空间被排空。

13.根据前述权利要求中任意一项所述的太阳能收集系统，其中所述HTF选自由热油、蒸汽/水、熔融盐、二氧化碳和氦构成的组。

14.根据前述权利要求中任意一项所述的太阳能收集系统，其中所述集中器包括具有抛物线型横截面的反射表面。

15.一种太阳能热电站，包括热-电发电站和与其连通以向其提供驱动其运转的热的根据前述权利要求中任意一项所述的太阳能收集系统。