CN103842739A - 太阳辐射接收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳辐射(1)接收器(2)，具有入口和出口收集器(9)，和从入口收集器通向出口收集器的一系列通道(8)。工作流体流动穿过所述通道，从而当接收太阳辐射(1)时，所述工作流体被加热。接收器(2)由单个部件制成，并且它包括上层(5)、至少一个中间层(6)、和下层(7)。太阳辐射(1)照射上层(5)。所述至少一个中间层(6)被定位在上层(5)的下方，并且供工作流体从中流过的管道(8)被设置在中间层中。下层(7)被定位在中间层(6)的下方，工作流体的入口和出口收集器(9)被连接到所述下层(7)。在接收器(2)内被加热的工作流体接下来流入热式发动机(3)，热式发动机通过交流发电机(4)产生电流。

Description

太阳辐射接收器
技术领域
本发明公开了一种太阳辐射接收器，适用于将太阳能转化为热能和电能。它的使用是发电工业中所感兴趣的。
背景技术
当前有三种大型的将太阳能转化为热能和电能的太阳能利用技术：圆柱形抛物面接收器、带有定日镜的塔式太阳能系统和抛物面反射器。本发明以抛物面反射器技术作为研究主题，其中，太阳辐射照射在抛物面(“抛物面反射器(parabolic dish)”，其通常是具有圆截面的抛物面)上，并且热机设置在其焦点处。该热机通常是完善的斯特林发动机(最初由罗伯特·斯特林在他的1816年的专利中描述，见1816年英国专利文件GB4081)，其在热焦点(太阳辐射接收器)和冷焦点之间操作。斯特林发动机或等效的发动机产生的机械能驱动交流发电机产生电能。
如前所述，在具有抛物面反射器的系统中，太阳辐射被接收于接收器上。所述接收器加热工作气体，工作气体驱动热机。对于给定的热能，提高接收器性能包括提高工作气体温度，并且随之提高发动机性能。这导致机器的总的性能变得更加有效率。
已经被用在这些太阳能设备中的斯特林发动机利用由管束形成的接收器，接收器被定位成面向抛物面轴线。然而，在这种构造中，已经被来自集中器(concentrator)(抛物面反射器)的热能利用的表面仅仅是集中器投影的百分比。此外，用在现有技术中的管束是由多个部件制成的装置，所述多个部件被彼此焊接起来并被焊接到聚光器(co11ecter)。这种焊接的构造在承受热循环时比较通常地会产生机械张力的问题，而这种问题通常产生材料应力并随之导致破损。另一方面，非常常见的是那些斯特林循环之后的装置使用氢作为工作流体，以提高它们的效率。我们知道，H2接触空气时会燃烧，在当前技术领域中所提供的形状意味着存在起火和爆炸的风险。
为了解决前述问题，本发明提出了一种太阳能接收器(其中有些形状是平的，而另外一些则不是)，其使用集中器的整个投影表面，因此所利用的面积是最大的。此外，其构造比目前通常使用的管束式解决方案更加牢固和安全，因为它避免了当前因不同构件的焊接点导致存在的问题。
链接到斯特林发动机的太阳能接收器的各种形状在本领域中目前是已知的。因此，专利文件GB2296047A1描述了一种带有曲轴的斯特林发动机，其中在曲轴上组装了一个结构，并且限定了(热的或冷的)工作腔(工作流体在其中流动)的一系列柔性膜片被连接到所述曲轴。专利文件CN201433829Y公开了一种用于太阳能装置的斯特林发动机的热腔式吸热器，其带有U形通道。
发明内容
所描述的发明公开了一种太阳辐射接收器，其具有入口和出口收集器，和从入口收集器通向出口收集器的一系列通道，工作流体流动穿过所述通道，从而当接收太阳辐射时，所述工作流体被加热。所述接收器包括：a)上层，太阳辐射照射该上层；b)至少一个中间层，所述中间层被定位在上层的下方，供工作流体从中流过的管道布置在所述中间层处；和c)下层，所述下层被定位在所述至少一个中间层的下方，用于工作流体的所述入口和出口收集器被连接到所述下层。该装置构造是通过使所述上层、具有通道的所述至少一个中间层和所述下层构成一个单个部件的方式实现的。
供工作流体从中流过的通道具有可以是三角形、或带倒圆的端部的矩形、或椭圆形、或正多边形、或圆形、或上述几何形状中的两种或更多种的结合的形状。
在具有一个以上的中间层的情况下，每个所述中间层的内部都设有供工作流体从中流过的通道。
设置在中间层中的所述管道被布置成迷宫状，覆盖接收器的中间层的所有被使用的表面。
用于制造所述接收器的所述部件是能够承受600℃以上温度的合金，例如钢、不锈钢、或
Figure BDA0000485489070000031
或
Figure BDA0000485489070000032
类型的合金。
所述接收器可以根据不同的几何形状来成形，以呈现出以下几何构造中的一些，例如：圆形或圆扇形、空心圆锥形、空心半球形、或对半切开的空心多面体。
附图说明
通过结合附图阅读说明书的内容，本发明将更容易被理解，附图中的附图标记用于指代构成本发明的不同元件。
图1是适用于具有抛物面反射器的太阳热能装置的外燃式热力发动机的示意图。
图2是扁平形状的接收器的具有部分截面的透视图，其中可以观察到其中流过工作流体的管道。
图3是接收器截面的详细视图，其中示出了不同形状的管道。
图4示出了可用于替换扁平的接收器形状的其他形状，例如半圆锥形接收器(图4A)、半球形的(图4B)或对半切开的具有正多面体形状(例如正十二面体)的(图4C)接收器。
接下来提供了在附图中呈现的构成本发明的不同元件的列表：1=太阳辐射(直接的或反射的)；2=接收器；3=联接到抛物面反射器的热力发动机；4=交流发电机；5=上层；6=中间层；7=下层；8=管道；9=工作流体的入口和出口收集器；a=椭圆的半短轴；b=椭圆的半长轴；c=半径；d=上层的厚度；e=中间层的厚度；f=下层的厚度；m=多边形的侧面；r=圆的半径；t=管道的基部；1=管道的侧面；v=管道顶点。
具体实施方式
如已陈述的那样，并且从图1中可以看出，本发明包括可适用在使用外燃式发动机的太阳热式抛物面反射器中的太阳能接收器。斯特林发动机3等位于抛物面反射器(未示出)的焦点处；热式发动机3具有太阳辐射1接收器2和一组冷却器-再生器，其中接收器2具有一系列通道，工作流体(通常是H2)从通道中穿过。所有这些元件被组装在发动机基座上方，如现有技术专利文件所公开的那样，并且这也是为什么它们未在图1中示出的原因。通常热式发动机3的每个缸结构具有与其连接的冷却器、再生器和接收器2；在这种情况下，接收器2具有带盘或圆形的“扁平”形状，当然其他结构也是可行的，如下文中将要描述的那样。
当热机3循环已经完成时，在热式发动机3中流动的工作流体到达太阳能接收器2；这样并且由于一旦接收太阳辐射1就在接收器2中发生传热过程，因此工作流体的焓增加并随后工作流体被引入斯特林热机3并在那里流动。工作流体在热机3中膨胀，向曲轴等(未示出)提供运动，曲轴驱动交流发电机4，从而产生电能。因此，接收器2的目的是增加工作流体的焓，工作流体在热机3中循环地流动以通过交流发电机4产生电。
假设所述接收器2被定位在抛物面反射器(未示出)的焦点处，并且朝向抛物面定向，接收器2通过抛物面的内表面上的反射接收太阳辐射1，。因此，到达抛物面反射器的太阳辐射1聚中在其焦点上，均匀地加热接收器2。可替换地，辐射可通过聚光透镜(诸如菲涅耳式透镜等)到达接收器。
图2描绘了接收器2的视图，其中四分之一以横截面的形式。所述横截面是沿平面AA依次切开的，以示出在接收器2内被加热的工作流体所流动穿过的通道8，并且随后所述流体流入斯特林热式发动机3等。接收器2设有一系列收集器9，工作流体进入收集器9并从中流出。最初，来自斯特林发动机3的工作流体到达入口收集器9之一，流动穿过接收器2的通道8，由于照射在接收器2上的入射的太阳辐射而被加热。一旦已经覆盖由通道9描述的通路，工作流体离开接收器2穿过相应的出口收集器9通往斯特林发动机3，所述工作流体流入发动机3。
接收器2是由一个单个部件制成的元件，即便如此规定它的结构，一种三层或组织层(strata)的假设的离散化结构可以实现，如从图2中并且更详细地从图3中可以观察到的那样。存在第一上层5，其外部用于接收太阳辐射1，因为该外部是接收器2的表面。所述上层5具有厚度“d”。在第一上层5下面至少存在一个中间层6，其具有厚度“e”，当然，在其他实施例中可以包括一个以上的所述中间层6。在任意情况下，每个中间层6设有通道8，工作流体通过通道8朝向斯特林发动机3流动。为使本发明更加清楚，在图2和3中仅示出了一个单独的中间层6。最后是布置在中间层6下方的具有厚度“f”的下层7。
示意性地，传热过程如下：由于太阳辐射1照射接收器2的表面，因此热通过沿上层5传导而被传递。接下来，所述热传递通过传导而被传递至接收器2的其余元件：沿存在的中间层6向下至下层7，并朝向通道8。因此，流入通道8的工作流体由于通过传导现在接收的热传递而增加其焓，并且还由于辐射而至较低的程度。沿中间层6的通道8的形状为迷宫式，以增加其相对于接收器2的被使用的表面的路径，并因此使热传递最优化。因此，从所有层5，6，7朝向流过通道8的流体发生大多数热传递。即使如此，一部分热仍然被朝向下层7的区域传递。如本领域技术人员非常清楚的那样，通过辐射和对流沿接收器2的整个表面朝向大气的其他热传递现象也会发生，尽管该过程可以被认为是显著地小于从不同的层5，6，7向流过通道8的流体的热传递。
图2和3示出了(后者比前者具有更多细节)通道8的几何形状的可能的实施例。处于简化描述的目的，已经示出了通道8的五个实施例(图3)，这些形状为：A，三角形；B，具有倒圆的端部的矩形；C，椭圆形；D，正多边形；和E，圆形。横截面A具有三角形形状(通常为等腰三角形)，其具有会聚在顶点v处的底边t和侧边1，其中顶点v指向下层7。横截面B具有矩形形状，具有与中间层6的厚度“e”相同的侧边，即使顶端和低端为半径为“c”的半圆形形状。横截面C是具有半短轴“a”和半长轴“b”的椭圆形。横截面D是具有侧边“m”的正多边形；在图3的情形下，示出了正八边形。横截面E是具有半径“r”的圆形。经验显示，根据工作流体的各种不同的物理参数(例如雷诺数、速度、其压力和其温度)，这些管道8的几何形状是最合适的。
图2和3中所示的五种构造(A，B，C，D，或E)中的仅仅一些或其组合被提供；例如，基于构造A，B，C，D，或E的半多边形-半圆形的通道，或其他可能的组合。图3描绘了位于同一接收器上所有初始构造，以显示可能的替换，但必须理解，对于给定的接收器2来说，通道8的几何形状仅仅是所示出的A至E选项中的一种(或其结合)。
实验证明，制造接收器2的最佳选择是通过增加层的制造工艺。通过这种方式，上层5、中间层6和下层7被制造在一个部件中；所述部件优选地由能够承受6()()℃以上高温的合金材料制成。实验证明，能够承受这些热负荷的适当的材料为纲、不锈钢、或合金，例如
Figure BDA0000485489070000061
或
Figure BDA0000485489070000062
可以提供太阳能接收器2的不同的实施例，有时保持前文所说明的盘形几何形状或类似于下文中描述的那些的其他几何形状。如果盘形几何形状被使用，则可以将太阳能接收器2成形成或者类似于完整的圆形或者类似于圆扇形、类似四分之一圆扇形、八分之一圆扇形或其他约数。因此，可以在图2中看到的太阳能接收器2其整体对于斯特林发动机3而言是有效的，或者说所述图2的横截的四分之一圆可用于供给所述斯特林发动机3的缸。在任意情形中，如本领域技术人员可以理解的那样，所选择的实施例不会影响这里所阐述的构造，或本发明的实质。
图4示出了接收器2的其他可能的实施例，其中几何形状与图2所示的盘形不同。因此，图4A示出了具有空心半圆锥形的接收器，通过这种方式，太阳辐射1照射在半圆锥的内侧，所述辐射1被沿半圆锥表面反射。对于图2的接收器而言，通道8的结构在半圆锥的壁内侧重复，然而为了使图4清楚，这一结构未示出。其他几何形状也是可行的，例如空心半球形，如图4B所示，其中，太阳辐射1也照射在半球形的内表面上，加热它并随后加热在内部通道(未示出)中流过的工作流体。图4C在空心的正多面体(例如，八面体、十二面体、二十面体或其他多面体)的构造中示出了接收器2的最后一个实施例。类似地，对于前面的情形，太阳辐射1照射正多面体的内壁，执行持久连续的反射过程并加热多面体的内表面。在被加热时，这些壁向在其内部的之前已经说明过的相应的通道(且在图4中未示出)中流过的工作流体执行热传递。
本领域技术人员将会理解本发明的范围及由其获得的优点。用于描述本发明的术语必须从宽泛的并且无限定性的含义方面去理解，本发明的主要区别特征被描述在权利要求书中。

Claims (9)

1.一种太阳辐射(1)接收器(2)，其具有入口和出口收集器(9)，和从入口收集器通向出口收集器的一系列通道(8)，工作流体流动穿过所述通道，从而当接收太阳辐射(1)时，所述工作流体被加热，其特征在于所述接收器(2)包括：
-上层(5)，太阳辐射(1)照射该上层；
-至少一个中间层(6)，所述中间层被定位在上层(5)的下方，供工作流体从中流过的管道(8)布置在中间层处；
-下层(7)，所述下层被定位在所述至少一个中间层(6)的下方，用于工作流体的所述入口和出口收集器(9)被连接到所述下层；
其中，所述上层(5)、所述至少一个中间层(6)和所述下层(7)构成一个单个部件。
2.根据权利要求1所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，供工作流体从中流过的通道(8)具有可以是三角形、或带倒圆的端部的矩形、或椭圆形、或正多边形、或圆形、或上述几何形状中的两种或更多种的结合的形状。
3.根据前述权利要求中任一项所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，在具有一个以上的中间层(6)的情况下，每个所述中间层(6)的内部都设有供工作流体从中流过的通道(8)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，设置在中间层(6)中的所述管道(8)被布置成迷宫状，覆盖接收器(2)的中间层(6)的所有被使用的表面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，用于制造所述接收器(2)的所述部件是能够承受600℃以上温度的合金，例如钢、不锈钢、或
Figure FDA0000485489060000011
或
Figure FDA0000485489060000012
类型的合金。
6.根据前述权利要求中任一项所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，接收器(2)被成形为圆形或圆扇形的几何形状。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，接收器(2)被成形为空心圆锥形的几何形状。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，接收器(2)被成形为空心半球形的几何形状。
9.根据权利要求1-5中任一项所述的太阳辐射(1)接收器(2)，其特征在于，接收器(2)被成形为半个空心多面体的几何形状。
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