CN103392100A - 改进的太阳能接收器 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能接收器(100)，其具有辐射捕获元件(3)，该辐射捕获元件用于捕获经辐射接收孔口(A)进入由该辐射捕获元件形成的空腔(C)中的太阳辐射，孔口具有第一直径(DaP)且空腔具有第二直径(DCAV)的柱形壁，第二直径大于所述第一直径，优选大约两倍大。此外，空腔的长度(LCAV)可大于第一直径(DaP)，优选地大约两倍大。流动通道可设置在捕获元件周围，加压工作流体，例如空气或氦气通过该通道。流动通道可充填有工作流体流经的多孔材料。

Description

改进的太阳能接收器
技术领域
本公开涉及用于捕获太阳辐射的太阳能接收器，该太阳能接收器具有用于将太阳能转化为工作流体中的热能的改进的参数。
背景技术
使用可再生能源的功率生成系统的领域包括能量从太阳的辐射转化成有用功，该有用功接着可用来生成诸如电力之类的功率。可借以实现该转化的一种手段是通过诸如液体或气体之类的工作流体的太阳能加热，该材料一旦被加热接着便可用来驱动某种形式的涡轮以生成电力。根据此原理操作的系统可采用以精确方式设置在太阳能接收器周围以将来自太阳的辐射反射到太阳能接收器的特定区域上的大型抛物面反射镜阵列。以这种方式，实现了允许将远远大于否则通过扩大太阳能接收器或某种形式的聚光透镜将可实现的量的太阳辐射引导到太阳能接收器。太阳能接收器周围的关键因素是：太阳辐射能量与所生成的有用功之间的转化效率；包含确保太阳能接收器是否能够耐受其在被聚集的太阳辐射下所经历的高温的冷却问题；以及系统在操作环境如沙漠方面的机械稳固性，沙漠常常存在诸如沙尘暴和温度范围之类的问题。
两种形式的太阳能接收器为直接式太阳能接收器和间接式太阳能接收器。直接式太阳能接收器允许太阳辐射直接穿过窗户传送到工作流体，该工作流体方便地为诸如空气的气体。在此情形中，太阳辐射直接作用在工作流体上并引起热能的随之上升。在间接式太阳能接收器系统中，太阳辐射被某种材料如通常为金属的固体表面中断以致不能直接到达工作流体，并且该固体表面被太阳辐射加热且其然后经由某种形式的热功率传递与工作流体换热。
间接式太阳能接收器已被证实比直接式太阳能接收器更稳固，因为它们不需要太阳辐射必须穿过以便到达工作流体的透明材料。这种透明材料可采取石英窗或类似物的形式，其能够耐受高温但对于诸如灰尘和碎屑之类的环境因素还是相对脆弱，其中形成了小的裂纹，由此随着其温度上升而经窗口蔓延并由此引起整个太阳能接收器系统的故障。相比之下，间接式太阳能接收器系统是有利的，因为它避免了系统对这些相对脆弱的元件的任何需求，尽管其代价是从太阳辐射到工作流体的能量传递率减小。
一旦工作流体已被适当地加热，其接着便可通过某种形式的热交换器或燃烧系统，以进一步升高工作流体的温度以供诸如与发电机连结的燃气涡轮之类的发电系统使用。
系统的效率取决于被有效地捕获并传递到工作流体的进入太阳能接收器的太阳辐射的量，继而取决于能量转化为用于驱动发电机的有用功的效率。限制太阳能接收器达到最大效率的一个问题在于来自太阳能接收器表面的再辐射回到大气中，这样被再辐射的这种能量对于功率生成目的而言被损失。因此有利的是提供一种尽可能限制再辐射程度的系统。使太阳能接收器的效率最大化的又一因素是限制来自工作流体的热能在到达功率生成子系统之前损失到其周围环境中。在工作流体被加压的情况下，需要在工作流体流经的通道周围提供压力密闭密封，并且该压力密闭密封由于接收器构件所经历的显著温度范围而难以形成。密封件的损坏将引起不希望的工作流体排出，这可导致总体损坏太阳能接收器并且至少将降低传热过程的效率。
本公开旨在减轻这些问题以提供一种有效的太阳能接收器系统。
发明内容
本公开的第一方面提供了一种太阳能接收器，该太阳能接收器包括辐射捕获元件，该辐射捕获元件用于捕获经辐射接收孔口进入由辐射捕获元件形成的空腔中的太阳辐射，孔口具有第一直径且空腔具有第二直径的柱形壁，第二直径大于一直径。
优选地，空腔的长度大于第一直径。
第一直径与第二直径的优选比例为：a)在约0.3至约0.7的范围内；或b)在约0.4至约0.65的范围内；或c)约0.5。
空腔的长度与第一直径的优选比例为：a)在约1.5至约2.75的范围内；或b)在约1.75至约2.25的范围内；或c)约2。
优选地，辐射捕获元件由能够耐受至少1000℃的温度的非多孔材料形成。
优选地，辐射捕获元件由碳化硅，例如烧结碳化硅或渗硅碳化硅形成。
优选地，空腔具有与辐射接收孔口轴向相对的向外突起的拱顶形端部。
本公开的一方面提供了一种如上所述的太阳能接收器，以及辐射捕获元件周围的流动通道，加压工作流体在太阳能接收器的操作期间通过该通道，以从辐射捕获元件吸收热能。
优选地，该流动通道充填有工作流体流经的多孔材料，该多孔材料与辐射捕获元件接触，并且其中，工作流体经由该多孔材料吸收前述热能的至少一部分。有利地，该多孔材料是网状多孔陶瓷泡沫，包括例如碳化硅。
为了减少经孔口出来的被捕获能量的再辐射，通往流动通道的入口优选地设置成将工作流体冲击在辐射捕获元件接近辐射接收孔口的前部的周边上，从而冲击冷却辐射捕获元件的前部。这对于减小太阳辐射在辐射接收孔口附近对空腔的壁的加热作用导致的热应力也有效。
在另一方面，该太阳能接收器还包括用于辐射捕获元件的壳体，并且辐射捕获元件具有用于以压力密闭方式将该元件固定在壳体上的向外延伸的凸缘。在一个实施例中，该向外延伸的凸缘可通过夹具固定在壳体上，并且为了有利于压力密闭密封，可在以下中的一个或两个之间设置垫片：a)凸缘与壳体；以及b)凸缘与夹具。
有利地，该太阳能接收器具有用于工作流体的流动路径，其设置成将工作流体冲击在向外延伸的凸缘的周边上以使其冷却。特别地，流动路径构造成引导工作流体以在辐射捕获元件的前部的周边上形成基本均匀的冷却效果，由此减轻与热梯度相关的应力。
为了能够在工作流体已在辐射捕获元件周围的流动通道中被加热之后将工作流体输送至涡轮或其它功率产生装置，流动通道合并到太阳能接收器的工作流体输出管道中。
优选地，工作流体为空气或氦气。
在又一方面，本公开提供了一种功率生成系统，该功率生成系统包括如上所述的至少一个太阳能接收器，其中，来自辐射捕获元件周围的流动通道的该出口或每个出口都与随后的功率生成设备构件如燃气涡轮联接。作为备选，随后的功率生成设备构件可为用于在工作流体被传送到燃气涡轮之前对工作流体进一步加热的燃烧器。
应该理解的是，为了获得来自太阳能供能的功率生成设备的高功率输出，若干单独的太阳能接收器可设置成并联地给送它们的工作流体输出至随后的功率生成设备构件。
附图说明
现将参考附图描述示例性实施例，在附图中
图1A是根据本公开的第一方面的太阳能接收器的所选元件的部分剖切的侧视图；
图1B是图1的太阳能接收器的缩尺图解透视图；
图2A是在图1的太阳能接收器的前部选择的元件的透视剖视图；
图2B是图2A中的构件的分解图，从不同角度示出了该构件；
图3是图1的太阳能接收器的所选元件的透视剖视图；
图4是图1的太阳能接收器的轴向截面的透视图；
图5是根据本发明的一方面的太阳能接收器的选定元件的示意图；
图6和图7是绘制了对于太阳能接收器的辐射捕获元件的各种几何特性，太阳能接收器的热效率对作为太阳能接收器的工作流体的加压空气的质量流速的曲线图；
图8是针对给定功率输入根据壁上的轴向位置绘制了辐射捕获元件上的周向平均吸收的热通量的曲线图；以及
图9是绘制了通过太阳能接收器的加压空气的质量流速                                               
Figure 2011800669068100002DEST_PATH_IMAGE002
对太阳能接收器的多个操作参数的曲线图。
具体实施方式
本文公开了太阳能接收器的具体实施例的详细描述。应该理解的是，所公开的实施例仅为在其中可实现本公开的某些方面的方式的示例且并不代表在其中可具体化太阳能接收器的全部方式的穷举。实际上，将理解本文描述的太阳能接收器可采用不同和备选形式来具体化。附图不必按比例绘制，并且一些特征可夸大或最小化以显示特定构件的细节。公知的构件、材料或方法不必更详细地描述，以避免使本公开难以理解。本文公开的任何具体结构和功能细节不应视作限制性的，而仅为用于权利要求的基础和用于教导本领域的技术人员以各种方式采用本公开的典型基础。
参照图1和图4，本公开的一方面涉及一种间接式太阳能接收器100，其包括形成空腔C的壁的中空辐射捕获元件3，太阳辐射经辐射进入孔口A被接收到该空腔C中。辐射捕获元件3构造成与诸如空气或氦气的加压工作流体交换已通过太阳辐射在捕获元件3的壁中生成的热，工作流体通过形成在辐射捕获元件3的外表面周围并充填有如下所述的多孔热交换材料P的流动通道8。工作流体在辐射进入孔口A附近被泵送到流动通道中，并在流向太阳能接收器100的出口并流到功率生成系统上之前沿元件3的外部长度流动，工作流体从元件3吸收其热能的至少一部分。
在使用中，太阳能接收器100接收已从自动导向的反射镜阵列反射的太阳辐射，反射镜保持所反射的辐射集中在太阳能接收器上。为了增大辐射集中系数，从而增大进入辐射捕获元件3的热通量和因此的热效率，诸如称为CPC的复合抛物面聚光器(concentrator)的二级聚光器位于辐射捕获元件的前方。因此，尽管在图1至4中看上去辐射接收孔口A的直径与空腔C的直径相同，但在太阳能接收器的操作期间，孔口A的直径Dap将小于空腔C的直径DCAV，因为其将由位于捕获元件3正前方的CPC的离开孔口限定，如图5中概略地示出并如下文进一步描述地。CPC需要高反射表面并典型地在100℃及以下的温度处操作。优选采用水冷却来将该温度维持在该标称范围内。在通过CPC集中之后，典型地高达5000kW/m2的太阳能通量进入空腔3。
空腔C的形状被设计成最大限度地减小如受CPC约束的通过经辐射进入孔口A从空腔的内表面再辐射而损失的太阳能的量。空腔C优选作为柱体形成，该柱体在其后端被封闭并在其前端具有辐射进入孔口A，前和后通过参考太阳辐射进入空腔的大体方向来限定。空腔C的封闭端的形状是拱顶形，即在向后方向上凸起，优选地为半球形，使得空腔提供了从辐射进入孔口A延伸的连续内表面。柱形形式的有利之处在于其有助于辐射捕获元件3的任何给定环形部分周围的太阳辐射的均匀吸收。柱形形式的有利之处还在于其有助于最大限度地减小由于压力负荷而引起的拉应力。类似地，空腔C的拱顶形端部尽可能确保热能在辐射捕获元件3的任何给定环形部分周围的均匀分布。元件3优选地由能够耐受例如超过1000℃的适当高温的非多孔材料形成。有利地，使用SSiC(烧结碳化硅)，因为其能够耐受高程度的热应力，并且这有助于空腔在使用时的耐久性，如下所述。如果由SSiC制成，则元件3可例如通过SiC粉末的热压制和烧结而整体地模塑(module)，或者其可备选地由两个或更多个构件形成。特别地，如果辐射捕获元件由SiSiC(渗硅碳化硅)制成，则方便的是通过将由柱形主体和拱顶形端部组成的两个构件熔融在一起来构成该元件。元件3的壁优选具有在约3mm至约15mm的范围内的均匀环形厚度，取决于操作压力和材料特性。原则上，较薄的壁提供了更好的效率和减小的热应力，但厚度的选择基于元件3的结构稳固性与经其传递热能的速度之间的权衡。例如，如果使用SSiC，则估计约5-7mm的厚度足以容纳10MPa的压力。
如由CPC的离开孔口有效地约束的孔口A的直径选择成足够大以接收期望数量的太阳辐射到捕获元件3的柱形壁之间的空腔C中，但足够小以最大限度地减少被捕获的辐射从孔口A再辐射回来。然而，孔口A的小直径可引起聚集太阳辐射到空腔C中的额外困难，即使同时受益于太阳能再从孔口A再辐射回来的减少。一般而言，与辐射捕获元件3和流动通道8相关的尺寸应该选择成最大限度地增大进入空腔C的辐射量，同时最大限度地减小从空腔损失的太阳能的量，最大限度地提高从捕获元件3到流动通道8中的工作流体的传热效率，并最大限度地减小工作流体流中的寄生损失。例如，我们的与本专利申请同日提交的共同未决专利申请参考文献T10/037-0_GB讨论了优化流动通道8的尺寸，而本专利申请讨论了优化空腔C（和因此捕获元件3）的尺寸。合适的空腔尺寸按绝对值计算强烈取决于接收器的功率水平，但最大空腔直径受元件3的制造工艺以及对于较大的尺寸而言相关的稳固性损失约束。例如，对于100kW接收器而言，空腔C的直径可为约300mm，长度为500mm。
图5中示意性地示出了辐射捕获元件3具有各种几何参数，其均影响由辐射捕获元件捕获的太阳辐射转化为工作流体的热能的效率。如下文将示出的，这些参数的最佳选择提供了若干出乎意料的优点：
1) 辐射损失的减小；
2) 对流体的有效传热；
3) 由于辐射捕获元件的内部周围周向辐照的均匀度提高而减小的热应力；以及
4) 关于沿辐射捕获元件的长度的距离而线性地升高的温度曲线。
主要的热损失归咎于先前由辐射捕获元件3捕获的能量从孔口A再辐射至环境。该再辐射的能量可占初始入射的太阳辐射的总能量的5%与17%之间。没有那么重要但仍很明显的低效包括随着加热后的空气经孔口A从辐射捕获元件对流出来而从辐射捕获元件内部损失的对流热量。在低于元件3的峰值操作温度的情况下，对流损失可占初始入射的太阳辐射的能量的约5%。
太阳能接收器的热效率是以下参数的函数：
· 捕获元件的孔口直径Dap；
· 捕获元件的内径DCAV；
· 进入捕获元件的输入能量qincident；
· 开度角(opening angle)Θ(即辐射从CPC进入捕获元件的角度)；
· 工作流体在通往太阳能接收器的入口处的温度Tinlet；以及
· 通过太阳能接收器的工作流体质量流速
Figure 2011800669068100002DEST_PATH_IMAGE003
。
太阳能接收器的热效率ηthermal可如下式中表达为传递到工作流体中的能量与入射的太阳能辐射的能量的比例：
Figure 2011800669068100002DEST_PATH_IMAGE004
其中，houtlet和hinlet分别是工作流体在出口和在入口处的焓，而Toutlet是工作流体在其已从辐射捕获元件3吸收热能之后的输出温度。
特别影响太阳能接收器的热效率的两个比例为：
a)孔口直径Dap与辐射捕获元件直径DCAV的比例；以及
b)辐射捕获元件长度LCAV与孔口直径Dap的比例。
考虑其中工作流体为空气的小型示例性太阳能接收器。如果：
· Dap=15mm；
· qincident=2kW(其等于进入辐射捕获元件的均匀分布的2829kW/m2的平均功率密度，其中开度角Θ=60°)；
· 空气进入温度Tinlet=200℃；
· 空气进入压力=5 bar；
· 空气质量流速
Figure 329022DEST_PATH_IMAGE002
在1-2g/s的范围内，
则输出温度Toutlet在780-1260℃的范围内。
图6和图7示出了根据变化的Dap/DCAV比例(图6)和变化的LCAV/Dap比例(图7)的这种太阳能接收器的热效率的曲线图，其中质量流速
Figure 370796DEST_PATH_IMAGE002
在1-2 g/s的范围内。图6示出了最佳Dap/DCAV比例为约0.3至0.7，优选约0.4至0.65，或大约0.5。图7示出了最佳LCAV/Dap比例为约1.5至2.75，优选约1.75至2.25，或大约2。
这些最佳Dap/DCAV和LCAV/Dap比例范围同样适用于其它条件和更大型的太阳能接收器，以及提供用于辐射捕获元件3的进一步几何优化的良好起点。除提高太阳能接收器的热效率外，小于1的Dap/DCAV比例(也就是说DCAV＞Dap)导致更多优点。
a)经孔口进入捕获元件3的太阳辐射朝捕获元件的内壁“稀释”，这减少了太阳射线对捕获元件的壁的局部作用并因此减小了捕获元件内的热应力。在此上下文中，“稀释”意味着经孔口进入的能量(=热通量×孔口面积)再分配到捕获元件壁的宽区域上，即，辐射的加热作用不会过多集中在捕获元件的一个部分上。如果如图5中所示捕获元件内径大于孔口A(即，Dap/DCAV＜1)，则能量将被分配到其上的辐射捕获元件表面较大，并且沿辐射捕获元件壁长度的最大热通量较低。换言之，如图8中最佳所示，由辐射捕获元件3的壁吸收的周向平均热通量，其取决于沿辐射捕获元件的长度LCAV的轴向位置，随着比例Dap/DCAV变小而在孔口A附近变低。图8的曲线图基于2.24kW的太阳辐射的功率输入、Dap=30mm(假设Cavg为3160kW/m2)、LCAV/DCAV=1.5且=45°。
b)捕获元件3的壁与相对冷的CPC径向分离，由此减小在其间的温度梯度。温度梯度导致捕获元件的材料的受压，因此减小温度梯度降低了辐射捕获元件中相关的热应力。另外，径向间隙可充填有绝缘材料并用于辐射捕获元件的压力密闭密封。
在使用上述优化方针的实施例的一个示例中，Dap/DCAV比例和LCAV/Dap比例分别选择为0.5和2，并适用于具有250 mm的Dap的太阳能接收器，从而获得500 mm的DCAV和LCAV=500mm。在操作期间的qincident优选为100kW(假设2000kW/m2的平均功率密度)，其以60°的开度角Θ进入辐射捕获元件3。工作流体的Tinlet在10bar的压力下为约200℃。辐射捕获元件的其它几何参数包括充填有多孔材料P的流动通道8的厚度tRPC、捕获元件3的壁的厚度tCAV和通道8周围的绝缘材料的厚度。在本例中，这些参数分别被设定为10 mm、20 mm和100 mm。
图9示出了利用以上示例实现的一些结果。图9绘出了在50至100 g/s的范围内的通过太阳能接收器的工作流体的质量流速
Figure 150533DEST_PATH_IMAGE002
对多个参数，即：
· Toutlet，工作流体(空气)在接收器的出口处的绝对温度；
· Tcavity max，捕获元件的壁所经历的最高温度；
· η，太阳能接收器的热效率，和
· △p，在太阳能接收器的工作流体入口与其出口之间的工作流体压力的变化。
可以看出随着使从50增大到100g/s，Toutlet从约1660°K减小到约1200°K，而热效率在相同范围从约77%增大到约92%。
现将参照图1至图4进一步描述太阳能接收器100。
如上所述，通道8包围辐射捕获元件3的外表面。通道8充填有多孔热交换材料P，该材料的形式优选为网状多孔陶瓷(RPC)泡沫，其允许工作流体通过其中且其提供了在空腔3的外表面与工作流体之间换热的手段。设想工作流体例如可为空气，其将易于通过材料P的孔隙行进。如在图4中最佳所示，为了易于制造和装配，多孔材料P可包括内径与柱形辐射捕获元件的外径匹配的环形块堆叠，以及定位在通道8的下游端并邻接辐射捕获元件3的拱顶形端部的盘形块。
一定体积的绝缘材料31设置在多孔热交换材料的通道8周围。该绝缘材料有利地尽可能防止了通道8的热损失并且应该包括具有低传导率和低渗透率的材料。优选地，如图4中最佳所示，绝缘材料充填在通道8与太阳能接收器100的外壳体10之间的剩余容积。
在一个实施例中，绝缘材料由Al2O3-SiO2(铝硅酸盐)纤维制成。这是一种具有80-95%的孔隙率(孔隙率定义为(空隙体积)/(总体积))的高度多孔材料。纤维直径很小，大约1-10微米的量级，这引起用于工作流体的曲折路径，从而得到大约10^(-10)m^2的低渗透率。由于绝缘材料的渗透率为低于网状多孔泡沫的渗透率(~10^(-7)m^2)的量级，因此工作流体主要(＞99%)流经多孔陶瓷泡沫而不进入绝缘材料，因为跨多孔陶瓷泡沫的阻力比跨绝缘材料的阻力低。
为了进一步增大在绝缘材料与网状多孔陶瓷泡沫之间的渗透率的比例，并因此防止工作流体进入绝缘材料，可制造密材料如固体Al2O3(氧化铝)的绝缘材料，其代价为较高的导热率。为了获得高渗透率比例和低导热率这两个优点，还可使用具有低导热率的纤维绝缘材料并增加具有低渗透率的密绝缘材料层以使纤维绝缘材料与气流分离。该层可以是基于高温陶瓷材料(例如，Al2O3、SiO2、ZrO2等)的陶瓷水泥层或直接是由例如Al2O3或ZrO2制成的陶瓷材料的薄壁结构。
壳体10还包括圆孔口板6和如果需要的话筋板(fascia plate)1，两者均由钢形成，其限定孔口60，该孔口从筋板(如果存在的话)的外表面中较大的直径收敛为元件3的孔口A附近的孔口板6的表面中较小的直径。在使用中，孔口板6或筋板1(如果存在的话)与图5中示意性地示出的CPC接口，CPC收集来自太阳反射镜阵列的辐射并经孔口60将其引导到空腔C中。孔口60对齐并定制尺寸成允许与空腔C的前开口对准。压力密闭垫片4密封在孔口板6与辐射捕获元件3的外翻凸缘3a之间的接合部。
筋板1仅在太阳辐射未完美聚集到CPC中的情况下需要。因此，如果存在的话，其仅用作用于辐射泄漏(spillage)(即，来自未完美聚集到CPC的嘴部中的太阳反射镜阵列的辐射)的屏障。为此，筋板1由嵌在其前表面中的冷却剂回路2冷却，该冷却剂回路2包括由诸如铜之类的导热材料形成的小孔管道。诸如水之类的冷却流体被泵送通过冷却剂回路2，以将积聚在筋板1和下方的孔口板6中的任何热量传递离开。有利的是传递该热量离开壳体的孔口板6以避免其热翘曲。
为有利于制造，并且如图4中最佳所示，太阳能接收器100的壳体10包括两个主要部分，即前壳体构件19和后壳体构件20，它们分别在它们的环形螺栓连接凸缘12和21处被螺栓连接在一起，在其间有压力密闭环形密封垫片13。壳体构件19和20在它们之间限定有定制尺寸并构造成接纳辐射捕获元件3的内部容积、其周围通道8、工作流体离开管道74和绝缘材料31的容积，以最大限度地减小从通道8和管道74的热损失。
在图1A和图4中所示的示例性构型中，漏斗形的管道部分76在通道8和输出管道74的下游端中接收来自RPC泡沫P的热工作流体，然后将其传送到在其中可利用其能量的设备，例如燃气涡轮。管道74的上游部分被容纳在壳体构件20内且管道74的下游部分被容纳在壳体构件20的柱形延伸部22内。管道74和延伸部22优选地终止于输出配件(未示出)以与功率生成系统如燃气涡轮的入口连接。如在我们与本专利申请同日提交的共同未决专利申请参考文献T10/037-0_GB中所述，流动通道8到输出管道74中的过渡应该通过维持恒定流动面积以最大限度地减小通过其中的工作流体流中的压力损失来优化。
预期为了方便制造，壳体构件19和20以及延伸部22均由钢板形成。延伸部22优选地通过焊接固定在壳体部分20上，不过在构件之间形成密封的任何其它合适的稳固固定手段将是适合的。
太阳能接收器100还包括多个接近点，可经其插入用于监视太阳能接收器100的状态的传感器。例如，第一接近点25可提供用以将热电偶插入壳体延伸部22中以测量工作流体的输出温度的装置，而第二接近点26可允许测量辐射捕获元件3的外部温度。
用于通过流动通道8的工作流体可经一个或多个(例如三个)设置在盘形孔口板6中的流动通道70(参看图4)被引导到太阳能接收器100中，每个流动通道70均由可与工作流体的加压源连接的输入管41给送。优选地，各输入管41径向地定向到太阳能接收器100的孔口板6的边缘中的环形外凹部72并在其周围均匀地隔开。加压工作流体的源可采取例如泵送系统或加压储器的形式。输入管41可通过焊接或硬焊固定在孔口板6上，例如以提供良好的压力密闭密封。
如图4中的截面中最佳所示，各流动通道70由大致径向延伸穿过孔口板6并终止于在图2和3中最佳示出的孔口50中的孔形成。各孔口50通向孔口板6的内圆形凹部，该凹部形成限定在孔口板6、夹持环7和辐射捕获元件3之间的腔室62，如下文更为详细地描述地。
在所示实施例中，各孔口50限定在由凹部的柱形侧壁64与其环形端面65的交叉处形成的凹部的角部中。以这种方式，孔口50被限定在壁64中的部分以及孔口50被限定在端面65中的部分提供了合适的大截面积，以有利于工作流体充分流经其中。
孔口60居中地形成在孔口板6中并具有成角度使得孔口60随着其接近空腔C的孔口A而收窄的斜边缘66。在其最小直径处，孔口60定尺寸成与形成在垫片4中的孔口对准，垫片4被夹在孔口板6与辐射捕获元件3的外翻凸缘3a之间，参看图3。
多个(例如，12个)盲螺纹孔以与内壁64的固定径向偏离等距地隔开在孔口板6周围，以接纳用于将夹具7固定在孔口板6的后部上的定位螺钉56等，夹具7设置有相应的通孔以接纳螺钉56的柄部。这些孔的位置选择成以致避免穿入径向穿过孔口板6的流动通道70。
如在图2A、图2B和图3中特别示出地，夹具7基本是具有外径D的环带和直径d的内孔71。然而，其已通过以下方式进行修改：(a)在夹具7的前侧加工具有直径d1的短沉孔68，d1大于直径d，以形成向内延伸的凸缘69；以及(b)将多个(例如，6个)等距隔开的凹部或腔室54加工入凸缘69的前表面中。腔室54当在平面图中看去时大体呈矩形或正方形并在它们的径向内侧与夹具7的内孔71相通。如图3和图4中所示，当夹具7被固定在孔口板6上时，腔室54在腔室62与辐射捕获元件3周围的流动通道8之间连通，并且夹具7的凸缘69抵靠孔口板的后表面夹持辐射捕获元件3的外翻凸缘3a，其中孔口A和60彼此对准。腔室54设置成使得限定在孔口板6中的各孔口50与相邻腔室54等距。该等距设置的有利之处在于它使工作流体流能够在腔室54之间相等地共享。在所示的实施例中，例如，壳体的孔口板6包括三个孔口50，并且夹具7提供了六个腔室54，各孔口与其两个相邻腔室54等距。
夹具7有利地由能够耐受高温的材料形成。一种这样的适合材料将是Inconel?：奥氏体镍铬基超合金。Inconel合金在高温应用中特别有用，因为其具有超过1300℃的熔点。
垫片4设置成确保在元件3的凸缘3a的前表面与孔口板6的后表面之间的压力密闭密封。垫片4优选地由石墨形成，由于其耐高温性能并由于其高压缩率使其能够在高压下密封。另一个垫片5设置在元件3的凸缘3a的周边部分与夹具7的凸缘69的前表面之间。该垫片5具有与垫片4相同的外径，但具有较大的内径。在所示实施例中，垫片5跨越腔室54的形成在夹具7的凸缘69中的部分延伸，但不阻止工作流体流经其中，因为垫片5的外径小于夹具7的孔口68的直径。
如先前所述，辐射捕获元件的热效率在捕获元件的孔口A的直径与捕获元件的柱形壁的直径的比例处于约0.3至约0.7、优选地约0.4至约0.65的范围或大约0.5时最佳。这些比例可通过由CPC(图5)限定捕获元件的辐射接收孔口A来实现。随着Dap/DCAV从值1减小，辐射强度在辐射捕获元件3的孔口A附近在捕获元件的壁上降低，由此减小了辐射捕获元件3与壳体的孔口板6的接触部分上的热应力，因此有助于维持其间的压力密闭密封。
孔口板6、垫片4、辐射捕获元件3、垫片5和夹具7的完整组件在图3中最佳示出。这些辐射捕获组件然后与壳体10及其相关的构件联合，使得孔口板6变成壳体的一部分。这通过将辐射捕获元件3插入多孔材料P中的尺寸互补的孔中从而形成通道8来实现，如在图4中所示。夹具7还配合在形成在绝缘材料31的前表面中的凹部中。因此，图3的辐射捕获组件完成了壳体组件的前部。为了将孔口板6固定在前壳体部9上，定位螺钉59等穿过形成在孔口板的周边凸缘中的成组(例如，12个)等距隔开的孔58中并被旋拧到前壳体构件19的凸缘11中对应的螺纹盲孔中。又一个石墨垫片9被夹在孔口板6与凸缘11之间。
图3和图4示出了加压工作流体从输入管41经由孔口板6中的孔70、腔室62和54以及通道8中的多孔材料P到输出管道74的流动路径。工作流体的温度通过从多孔材料P的结构传热而升高。该传热冷却了多孔材料，多孔材料进而从热捕获元件3的接触面吸热。元件3上的冷却效果在辐射接收孔口A附近最大，此处在工作流体与元件3之间的温差最大。工作流体可例如加压至约10MPa，其为用于驱动简单燃气涡轮的适度压力。在这种及更高的压力和温度下，难以维持元件3与邻近的太阳能接收器结构之间的压力密闭密封。因此，以上文公开的方式使用石墨垫片的元件3的凸缘3a的夹持的有利之处在于其允许元件3在使用期间的纵向热膨胀并且还允许凸缘3a的有限径向热膨胀而不损害通过垫片4和5实现的密封。通过向石墨垫片施加已知的高温防粘附涂层以降低它们的摩擦系数，可有利于凸缘3a在其加热时有限的热扩散。然而，也很重要的是注意工作流体对凸缘3a的周边的冲击、其通过多个腔室54和在凸缘3a的后表面下方以及其随后对辐射捕获元件3的外表面的前部的冲击对凸缘3a的周边和元件3的前部的周边形成大致均匀的冲击冷却效果，由此显著降低元件3的前部分段的温度。这不仅减小了凸缘3a中的热和机械应力，而且最大限度地减小了通过孔口A的辐射损失。
设想工作流体在通过其通过通道8中的多孔材料而被加热并经输出管道74离开太阳能接收器100之后将直接来到功率生成系统的更多构件中。然而，工作流体可被直接给送到燃气涡轮中，或作为备选工作流体可给送到燃烧系统中以在被传送到燃气涡轮之前进一步加热。在燃气涡轮之后，工作流体可经历与优选为水的第二工作流体换热，以形成用于随后在诸如蒸汽涡轮的功率生成子系统中使用的蒸汽。两个功率生成系统然后共同操作以产生功率。在已与第二工作流体交换其热量的情况下，第一工作流体至少在空气的情形中可排出至大气。作为备选，如果使用诸如氦气之类的更昂贵的气体，则其可经由泵送系统传送回到太阳能接收器100的输入管41以用于又一个太阳能加热循环。
可以认识到的是，可在本公开的范围内做出各种变更，例如，太阳能接收器的各种元件的尺寸和形状可根据需要改变，并且可根据需要扩大或缩小整个太阳能接收器。
还设想辐射捕获元件可由与SiC不同的材料如耐火合金形成。这将提供提高的结构强度，但代价是较低的导热率和操作温度，从而意味着太阳能接收器与由SiC形成的空腔相比将具有降低的效率。
在一备选实施例中，设想通过对通道70穿透孔口板6的路径进行相应修改并根据需要改变孔口板6的厚度，孔口50可根据需要完整形成在孔64的壁或其环形端面65中。目前，我们优选通道70在孔口板6中大致径向地定向。然而，设想可改变通道70和腔室54的定向，使得它们以在辐射捕获元件3的前部周围产生漩涡状流动的方式引导流动，因此进一步提高冷却效果。
如上所述，在辐射泄漏减少或不可能的情况下，可省略筋板1。还设想壳体的孔板可水冷却并由氧化铝形成。
尽管以上描述的重点放在石墨垫片的使用上，但也可备选地由陶瓷纤维(例如，氧化铝Al2O3)或镍基超合金如Inconel?来制造它们。
还设想多孔材料P的通道8可直接形成在元件3的外表面上，而不是在元件3接着被插入其中之前分开形成并设置在绝缘材料31中。
上文已提及氦气作为备选的工作流体，因为氦气在相等的体积流速下具有比空气高的传热系数，这对于相等的压降而言获得略高的热效率。
将认识到的是，如文中所用，诸如“端部”、“侧”、“内”、“外”、“前”和“后”之类的说法并不将相应特征限制于这种定向，而仅用于将这些特征彼此区分。

Claims (25)

1.一种太阳能接收器，包括辐射捕获元件，所述辐射捕获元件用于捕获经辐射接收孔口进入由所述辐射捕获元件形成的空腔中的太阳辐射，所述孔口具有第一直径且所述空腔具有第二直径的柱形壁，所述第二直径大于所述第一直径。
2.根据权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于，所述空腔的长度大于所述第一直径。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能接收器，其特征在于，所述第一直径与所述第二直径的比例为：a)在约0.3至约0.7的范围内；或b)在约0.4至约0.65的范围内；或c)约0.5。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述空腔的长度与所述第一直径的比例为：a)在约1.5至约2.75的范围内；或b)在约1.75至约2.25的范围内；或c)约2。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述辐射捕获元件由能够耐受至少1000℃的温度的非多孔材料形成。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述辐射捕获元件由碳化硅形成。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述空腔具有与所述孔口轴向相对的向外突起的拱顶形端部。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器还包括在所述辐射捕获元件周围的流动通道，加压工作流体在所述太阳能接收器的操作期间通过所述通道，以从所述辐射捕获元件吸收热能。
9.根据权利要求8所述的太阳能接收器，其特征在于，所述流动通道充填有所述工作流体流经的多孔材料，所述多孔材料与所述辐射捕获元件接触，并且其中，所述工作流体经由所述多孔材料吸收前述热能的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多孔材料是网状多孔陶瓷泡沫。
11.根据权利要求9或10所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多孔材料包括碳化硅。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，通往所述流动通道的入口设置成将所述工作流体冲击在所述辐射捕获元件接近所述辐射接收孔口的前部的周边上，由此通过所述工作流体对所述辐射捕获元件的前部的周边的冲击冷却减少了经所述孔口出来的被捕获能量的再辐射。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器还包括用于所述辐射捕获元件的壳体，所述辐射捕获元件具有用于以压力密闭方式将所述元件固定在所述壳体的一部分上的向外延伸的凸缘。
14.根据权利要求13所述的太阳能接收器，其特征在于，所述向外延伸的凸缘通过夹具固定在所述壳体部上。
15.根据权利要求14所述的太阳能接收器，其特征在于，为了有利于所述压力密闭密封，在以下中的一个或两个之间设置了垫片：a)所述凸缘与所述壳体；以及b)所述凸缘与所述夹具。
16.根据从属于权利要求12的权利要求13至15中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器包括用于所述工作流体的流动路径，所述流动路径设置成使所述工作流体冲击在所述向外延伸的凸缘上以使其冷却。
17.根据权利要求12或16所述的太阳能接收器，其特征在于，流动通路引导所述工作流体以在所述辐射捕获元件的前部上形成基本均匀的周边冷却效果，由此减轻与热梯度相关的应力。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述辐射捕获元件周围的流动通道合并到所述太阳能接收器的工作流体输出管道中。
19.根据权利要求8至18中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述工作流体为空气或氦气。
20.一种功率生成系统，包括至少一个根据权利要求8至19中的任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，来自辐射捕获元件周围的所述或每个流动通道的出口与随后的功率生成设备构件联接。
21.根据权利要求20所述的功率生成系统，其特征在于，所述随后的功率生成设备构件是燃气涡轮。
22.根据权利要求16所述的功率生成系统，其特征在于，所述随后的功率生成设备构件是用于在所述工作流体被传送到燃气涡轮之前进一步加热所述工作流体的燃烧器。
23.根据权利要求20至22中的任一项所述的功率生成系统，其特征在于，所述功率生成系统包括设置成并联地将它们的工作流体输出给送到所述随后的功率生成设备构件的若干个太阳能接收器。
24.一种如本文参照附图所述和/或在附图中示出的太阳能接收器。
25.一种如本文参照附图所述和/或在附图中示出的功率生成系统。
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