CN104428606A - 基于面板的太阳能接收器 - Google Patents

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安德烈斯·卡斯特罗德贝尼托
豪尔赫·比利亚里卡比尼亚斯
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Abstract

本发明涉及一种用于太阳能塔式热电站(4)的太阳能接收器面板，其包括：前面板(8)，其外表面接收来自定日镜(3)的场域的太阳辐射(2)；后面板(9)；在面板(8、9)之间的密封元件(10)，其被布置在前面板和后面板的横向端部处；位于面板(8、9)上部的进口收集器(5)，热传递流体在此进入接收器(1)；以及位于面板(8、9)下部的排出收集器(6)，热传递流体在此离开接收器(1)；其中，前面板(8)、后面板(9)和两个密封元件(10)形成接收器本体(16)，其构成热传递流体(7)的通道。每个太阳能塔能够包括一个或多个面板接收器(1)，其串联或并联布置，其中相同或不同流体(7)在其间循环。

Description

基于面板的太阳能接收器
技术领域
本发明属于太阳能设施领域，更具体地，涉及用于太阳能塔式热电站的接收器系统。
背景技术
当地球处于距离太阳平均距离时，在地球的垂直表面上，每单位时间和面积在地球上接收的太阳能量大约是1KW/m2。该量对于几乎所有应用是不足的，其中能量必须被转换成做功。解决方案是使用光学地集中在一个焦点上以达到更大的流密度以及因此更高的温度的系统或设施。
自古以来，人类一直试图利用镜子聚集以达到高温。据信，阿基米德(公元前287-212)写了一本题目为“论燃烧的镜子(On burningmirrors)”的书，其没有副本幸存下来并其形成围绕马塞卢斯(Marcellus)在212年的罗马舰队的覆灭的神秘事件的一部分。
从那时起，太阳能流的集中用于各种应用中，如熔融材料(齐尔恩豪斯(Tschirnhaus)，1651-1700)，烹饪烤箱(索绪尔(Saussure)，1740-1799)或直在低压下直接产生蒸汽(贸促特(Mouchot)，1825-1912)。C.G.O.巴尔已经在1896年申请了太阳能机器的专利，其使用安装在圆形布置的轨道车上的半抛物线镜，固定的锅炉位于该系统的焦点。该机器被认为是“发电塔”系统的先驱之一，其中，太阳辐射通过定日镜场域朝位于塔顶部的接收器所集中，接收器与所产生的光学系统的焦点重合。此外，1974年公布的专利US3924604被认为是第一个描述现代太阳能热电厂的专利。在所述专利中，中央塔的顶部容纳一个由布置在塔轴线周围的管道所形成的外接收器，该外接收器收集了在它周围圆形布置的定日镜的场域的射线。
在塔式的太阳能塔式热电站中，来自定日镜的场域的辐射由接收器的外部表面所接收。该辐射的一部分被反射，并且其余由所述外表面的材料所吸收，外表面在此过程中被加热。当加热时，在接收器的外部表面和环境之间产生温差，并且一些被吸收的能量以辐射和对流损失的形式返回给环境中。其余被吸收的能量通过被传导通过材料到内表面，并且从那里到接收器的工作或热传递流体来传输，热传递流体将所述能量从接收器输送出去，用于例如在存储罐或在发电系统内的后续使用。接收器外表面的最后温度是在所涉及的各种机构之间的平衡。
在太阳能接收器的几何形状方面，太阳能接收器可分类为两组，即空腔类型的接收器，如1979年公布的专利US4164123所描述的，该类型的接收器被容纳在位于塔顶部的壳体或空腔内，以及外部类型接收器，如布置在户外而没有保护它们免于元件的任何类型壳体的接收器。后一类型，即外部接收器，通常经由自然对流而具有更大损失，但可利用来自完全圆形的场域的辐射。外部类型的接收器的示例可以在1979年公布的专利US4136674，以及在1981年公布的US4289114和US4245618中找到。
这两种接收器系统(空腔和外部)可在商业示范项目上找到，如美国的太阳能一号站以及西班牙的PS10站。
类似地，将在接收器中所捕获的能量传输到使用点的工作流体分为两类：状态改变的流体诸如水，以及状态不变的流体诸如熔盐和熔融金属。
如果使用水，则接收器实际上是蒸汽发生器，且因此通常设置有其三个主要部件，即预热器、蒸发器和过热器，预热器、蒸发器和过热器可以或可不连续或即使没有其中一个地布置，如在具有生物量或其它技术的杂混太阳能热电厂中一样。所产生的蒸汽直接地移动蒸汽轮机并能通过蒸汽罐短时间存储，这抑制了由云引起的瞬变。使用水作为热传递流体的接收器的一些示例可在1984年公布的专利US485803，2009年公布的US12547650，2010年公布的WO2010139823中找到。至于目前已经修建的电厂，PS10使用这种蒸汽发生技术。
此外，当需要更大的临时能量存储能力，以使太阳能热设施能够在很小或没有太阳辐射的时期内继续发电时，使用也能够更有效地后续存储的工作液体。如1998年公布的US5850831，1999年公布的US5862800等专利构成了一样熔融盐特定接收器的设计的示例。至于示范项目，太阳能二号厂是该技术的一个示例。
菲涅耳方程提供了在入射和反射辐射之间关系，并表明为了减少接界表面的反射，由入射辐射与所述表面正交的矢量一起所形成的角度必须尽可能接近于零。然而，不管是否使用状态改变的热传递流体或使用不改变状态的流体，迄今已知的接收器设计采用通常竖直地布置并通过其在冷工作流体进入的进口收集器的一侧上以及在受热工作流体离开的排出收集器的另一侧上的端部连接的被称为壁的管道组，其中收集器为将流体分布到在壁内的各种管道的管道系统。上述专利示出了这种设计。其它时间，使用也基于管道但具有其它几何图形的其它布置，如在专利US2008/0078378中所述的螺旋管道。
因此，所有的现有解决方案使用管道，这是由于管道是最好准备以在允许流体在其内部流动同时承受内部压力的几何形状。如达到10MPa(100吧)的过热蒸汽的情形，这使得特别适于与在高压下的流体一起工作的接收器。缺点是由于制造的更复杂性，成本比其平坦的等效物(例如金属板)要高。
在当前的接收器中，壁此外组合在一起以形成适于最大化接收由定日镜的场域所反射的辐射的布置，其在空腔接收器的情形中可以是半圆柱形或在外部接收器的情形中是圆柱形。这种由离散元件形成的布置的类型将高应变集中在其所有的联接部上。因此，在不同壁之间的联接部以及管道-收集器联接部是带有最产生热变形的接收器区域。此外，为了形成它们，诸如必须对受到很大应变的管道-收集器联接部施加直接插入或焊接的解决方案，并且为了防止开裂，需要使用带有更大直径和厚度的收集器。专利US2003/0041857描述了该问题的一种解决方案，其在于使用不管一起使用或者单独使用的被加工或被挤压的喷嘴，使得能够使用更轻的收集器，但增加了复杂性和制造成本。
此外，在不接收来自定日镜的场域的辐射的接收器的部分(背部)内，通常应用一层绝缘体以减少热损失。所述绝缘体必须被保护免受形成每一壁的各种管道的直接辐射，以防止它变质。为此，它们可或者直接地通过填隙焊缝或通过促进所述连接的翼片而连接在一起。在这两种情况下，由于以下的事实：这些点形成热点，其高温可能导致管道失效，该连接必须减少尽可能不被工作流体冷却的面积的大小。
最后，值得指出的是，接收器中使用的管通常是光滑种类的，使得在管和热传递流体之间的热传递能力由管直径和流体速度确定。为了增加所述管内的热传递，已经提出了解决方案，如使用带有内槽的管。专利WO2009129167A2描述了一种可增加接触面积和湍流度的解决方案。专利US005850831描述了插入如螺旋表面的元件。这两个解决方案增加了湍流度和切向流速，特别地在管壁附近。
因此，本发明包括对当前现有的接收器系统进行改进的新接收器系统，减少它们的重量和复杂性并增加它们的热传递能力。
发明内容
本发明描述了一种用于太阳能塔式热电站的基于面板的接收器，其可用于空腔设施和外部设施这两种设施。
该接收器包括：
前面板，其外表面接收来自定日镜的场域的太阳辐射，
后面板，其通常配备有减少经由对流和辐射到环境的损失的外部绝缘体，
在面板之间的密封元件，所述密封元件被布置在前面板和后面板的侧向端部处，
位于面板的上部中的至少一个进口收集器，热传递流体在该至少一个进口收集器处进入接收器，以及
位于面板的下部中的至少一个排出收集器，热传递流体在该至少一个排出收集器处离开接收器，
其中，前面板、后面板和密封元件形成接收器中心本体，该接收器中心本体构成热传递流体行进通过的通道。
在发明中，可以设想的是，在接收器内部循环的热传递流体可以是：
动力循环自身的工作流体(该类型的流体的示例是水)，
随后将其能量传递到动力循环的工作流体的热传递流体，通过该热传递流体的临时存储，使得能够在很少或没有太阳辐射的时期内继续发电(该类型的流体的示例是熔盐)，
用于将来自定日镜场域的能量传递到第二流体的带有高能量提取能力的流体，其中该第二流体可以是最终工作流体或中间热传递流体(该类型的流体的示例是熔融金属)。
形成热传递流体通道部分的接收器的前面板和后面板可以是平坦的或弯曲的。如果它们是弯曲的，则曲率可以是半圆柱形或半球形，可遵循由直线部分组成的多角曲线，或遵循所需的曲线轮廓。结果，由于在入射辐射和与表面正交的矢量之间形成的角度可达到零或接近零的值，所以更有效地捕获来自定日镜的场域的辐射。
接收器的前面板和后面板可包括用于改进到流体的热传递的各种机构。导致所述改进的一种方式在于借助于在面板的壁上的粗糙度图案增加流体的湍流度，增加对流系数。根据循环的热传递流体的类型，面板的材料，期望的压降等，多个几何形状可用于该粗糙度矩阵。存在用于形成该粗糙度的各种方法；冲压可作为示例被提及。
增加热传递的另一种方式在于，至少对接收来自定日镜的场域的太阳辐射的面板压制波纹(向光滑表面赋予规则的槽或脊)。通过这些波纹，增加了冷却流体的交换表面和湍流度。同样通过对与接收面板一起形成冷却管的后面板压制波纹，湍流度更为显著地增加。
用于改进热传递的另一种机理是增加对流表面面积，这通过在面板中的至少一个面板，在前面板或后面板，的内表面上安装翼片实现。这些翼片可以是纵向的或可以是以其它方式成形的，例如是波形的，且除了增加交换面积外，还增加了湍流度。
收集器本体可设置有内部翼片以更好地分布和收集热传递流体，并减少入口效应。翼片在连接凸缘附近开始并延伸到该基于面板的接收器的开始。收集器本体的一个优势在于，它在存储中能够容纳足够大体积的流体，用于在发生任何类型的事故时，只要需要将定日镜转离焦点，以冷却接收器。
在一个塔中，可安装一个或多个所述类型的接收器，即，接收器中的每一个接收器构成独立的模块，并且每个塔配备有这些接收器中的至少一个。
如果多个接收器安装在一个塔中，它们可以串联布置，即，彼此相邻地布置，和/或平行布置，即，一个布置在另一个后面，并且可使相同或不同的流体循环通过所述接收器，只要合适的话。
如果所述接收器平行地布置，则在接收器之间使用单个中间面板，该单个中间面板用作第一接收器模块的后面板以及第二接收器模块的前面板。
使用面板而不是管道来形成接收器产生了如下描述的许多优势：
·更少的接缝或焊缝受到来自定日镜的场域的辐射的热应力，从而克服了诸如组成接收器的各种管道的焊缝的开裂的问题。
·由于具有不被热传递流体冷却的区域，显著地减少了在组成接收器的各种管之间目前存在的温度梯度。
·由于连续面板避免了各种管之间形成的间隙，更有效地保护位于接收器的后部上的绝缘体层免受定日镜的场域的直接辐射，以防止它恶化。
·由于通过诸如球体或圆柱体的基本形状，基于面板的接收表面能够被容易地成形为使得在入射辐射和与表面正交的矢量之间形成的角度可达到零或接近零的值，所以更有效地捕获来自定日镜的场域的辐射。
·使沉积吸收剂涂层更容易。无大间断的光滑表面使得更容易沉积更均匀的厚涂料层或吸收剂涂层。
附图说明
以下是对有助于更好地理解本发明的一系列附图的描述，附图与通过本发明的示意性、非限制性示例所提出的本发明的各种实施例明确地相关。
图1是太阳能塔式热电站的示意图。
图2是带有平坦面板的接收器的截面的示意图。
图3是带有平坦面板和内部翼片的接收器的截面的示意图。
图4是带有半圆柱形曲率的基于面板的接收器截面的示意图。
图5A和5B构成曲率半径不同的带有半圆柱形曲率的基于面板的接收器的两个示意图。
图6A和6B构成具有不同的曲率半径的带有半圆柱形曲率的串联的三个基于面板的接收器的两个示意图。
图7是带有半球形曲率的基于面板的接收器的示意图。
图8是带有半球形曲率的串联的三个基于面板的接收器的示意图。
图9是带有平行的平坦面板的两个接收器的截面的示意图，所述面板具有不同的热传递流体。
图10是用于促进到流体的热传递的装置的示意图。
在上述附图中，附图标记对应于以下的部件和元件：
1—接收器
2—接收器本体上的辐射面片
3—定日镜的场域
4—塔
5—进口收集器
6—排出收集器
7—热传递流体
7A—冷的热传递流体
7B—热的热传递流体
8—前面板
9—后面板
10—密封元件
11—中间面板
12—入射辐射
13—流体通道
14—用于促进到流体的热传递的元件
15—绝缘体
16—接收器的中心本体
17—对应于椭圆的最大轴线的端部
具体实施方式
为了便于对本发明的更好理解，以下是基于附图的详细描述，其中该类型的平面接收器的一些优选实施例会是相同的。
在图1中，能够观察到太阳能塔式热电站的示意图。该类型的电站由朝向在太阳能塔(4)的顶部处的接收器(1)反射太阳辐射的定日镜(3)的场域构成。
图2是根据本发明的基于平坦面板的接收器(1)的截面的示意图。在该情形中，它是这样的接收器，该接收器包括：前面板(8)，前面板(8)直接接收太阳辐射(12)；后面板(9)，后面板(9)在其外表面上具有防止热通过辐射和对流而损失的绝缘体(15)；两个密封元件(10)；以及在接收器内部循环的热传递流体(7)。在该图中示出的情形中，因为面板(8和9)是平坦的，即，没有任何曲率，所以这是基于平坦面板的接收器。
图3是带有平坦面板和内部翼片的接收器(1)的截面的示意图。收集器本体可设有内部翼片以更好地分布和收集热传递流体(7)并减少入口效应。
图4示出了带有具有半圆柱形曲率的面板的接收器的截面。它包括：直接接收太阳辐射(12)的遵循半圆柱形弯曲的前面板(8)；遵循半圆柱形弯曲的后面板(9)，后面板(9)的外表面上具有防止热通过辐射和对流而损失的绝缘体(15)；两个密封元件(10)；以及在接收器内部循环的热传递流体(7)。在该图中示出的情形下，因为前面板(8)和后面板(9)遵循圆柱形曲率，所以这是半圆柱形接收器。
图5A和5B示出了具有不同曲率半径的两个半圆柱形接收器(1)的透视图。还能够观察到进口收集器(5)和排出收集器(6)，冷的热传递流体(7A)通过进口收集器(5)进入，一旦冷的热传递流体(7A)已经被加热(7B)，热传递流体就通过排出收集器(6)离开。
图5A中的接收器具有中心本体(16)，该中心本体(16)对应于沿着对应于其最大轴线的端部被截断(truncate)的椭圆，其中由所述截断产生的顶点被圆化。该特定的几何形状通过将接收器(1)调节到面片(2)或太阳辐射流型图的轮廓而取得，所述流型图被理解为是指太阳能场域的一组镜(3)投射在接收器上的图像的且该因此包括集中的热能的区域。
在图5B中示出的半圆柱形接收器(1)具有矩形的中心本体(16)。
附图6A和6B示出了两个优选实施例，该两个优选实施例中的每个都具有串连，即，彼此相邻地布置的三个接收器(1)模块的组件，该三个接收器(1)模块位于太阳能塔(4)的顶部中。每个组件对应于带有对应于图5A和5B所示的那些的特定曲率半径和不同几何形状的一种类型的接收器。在这两种情形中，每个接收器是独立的，即，具有自己的进口和排出收集器，使得根据需要，相同或不同的流体能够通过它们循环。
在图6A和6B所示的情形中，存在三个半圆柱形接收器(1)，该三个半圆柱形接收器则组合在一起形成半圆柱形曲率结构，这最大化了由定日镜场域反射的辐射的接收。流体(7)进口(5)和排出(6)收集器在每个接收器(1)模块中都是竖直的，与在现有技术中发现的相反，在现有技术中流体进口和排出收集器一直都是水平的。该水平性质使得有必要在收集器和接收器主体之间使用另外的连接管，因此具有焊接、应力等方面的相关问题。在该情形中，收集器(5、6)被设想为是流体(7)进口和出口管道的简单加宽部分，因此避免了对另外的连接部的需要。
图6A示出了与图5A中所示出的类似的串联布置的三个半圆柱形接收器。这些接收器具有被限定为覆盖太阳辐射的面片(2)或流型图的几何形状。在该情形中，串联的三个接收器(1)的组件能够调整到太阳辐射的面片(2)或流型图，而不是仅单独一个接收器调整到太阳辐射的面片(2)或流型图。
每个接收器均为独立模块的事实使得能够单独地调节其中每一个接收器的流量，从而防止由于接收器的某些部分一整天受到的温度峰值而导致的在现有技术中存在的重大问题。例如，如果在中午，中间面板比侧部面板经受更强烈的辐射，则为了防止流体的温度上升过高和导致所述接收器的材料疲劳，加了循环通过该接收器的热传递流体的流量，并且该区域被冷却。同时，侧部接收器继续具有初始流量。
图6B示出了三个图5B所示种类的串联布置的半圆柱形接收器，即，带有矩形中心本体(16)的接收器。
图7示出了带有半球形面板的接收器(1)的透视图。其包括：前面板(8)，前面板(8)直接接收太阳辐射(12)；后面板(9)，后面板(9)的外表面上具有防止热由于辐射和对流而损失的绝缘体(15)；两个密封元件(10)；以及在接收器内部循环的热传递流体(7)。因为前面板(8)和后面板(9)遵循球冠曲率，所以在该图中示出的情形是基于半球形面板的接收器。
图8是三个串联布置的单独的基于球面板的接收器的示意图。
图9示出了所谓的平行布置。具体地，其是带有不同热传递流体的平行的两个基于平坦面板的接收器的截面的示意图。该布置通过将一个面板放置在另一个面板后面来构造。如在说明书中所讨论的，在这样的情形中，中间面板(11)通常放置在合适位置并且第一接收器的后面板(9)和第二接收器的前面板被移除。在所示情形中，示出了两个平坦接收器(1)，不同的流体循环通过该两个平坦接收器(1)。热传递流体的优选组合包括在第一接收器中具有对于取热循环最佳的流体，诸如熔融金属或蒸汽形式的水，以及在后接收器中具有用于热存储的合适流体，诸如熔盐。
图10是根据本发明的用于促进到流体(14)的热传递的元件的示意图，其中示出两个示例类型，一个具有波纹(14’)，而另一个具有粗糙度图案(14”)。
该系统被特别地设计应用在塔式热太阳能电站，但该系统的使用也可延伸到需要类似功能的其它类型的电站。

Claims (24)

1.一种用于太阳能塔式热电站(4)的基于面板的太阳能接收器(1)，包括：
前面板(8)，所述前面板(8)的外表面接收来自定日镜(3)的场域的太阳辐射(2)，
后面板(9)，
在面板(8、9)之间的密封元件(10)，所述密封元件(10)布置在两个面板的侧向端部处，
至少一个进口收集器(5)，所述进口收集器(5)位于所述面板(8、9)的上部中，热传递流体在所述进口收集器(5)处进入所述接收器(1)，以及
至少一个排出收集器(6)，所述排出收集器(6)位于所述面板(8、9)的下部中，所述热传递流体在所述排出收集器(6)处离开所述接收器(1)，
其中，所述前面板(8)、所述后面板(9)和所述密封元件(10)形成接收器中心本体(16)，所述中心本体(16)构成所述热传递流体(7)行进通过的通道。
2.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，在所述接收器(1)内部循环的所述热传递流体(7)是动力循环自身的工作流体。
3.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，在所述接收器(1)内部循环的所述热传递流体(7)是随后将其能量传递到动力循环的工作流体的热传递流体。
4.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，在所述接收器(1)内部循环的所述热传递流体(7)是带有高能量提取能力的流体。
5.根据权利要求4所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述热传递流体(7)是熔融金属。
6.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述面板(8、9)的几何形状是平坦面板种类的。
7.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述面板(8、9)的几何形状具有半球形曲率。
8.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述面板(8、9)的几何形状具有半圆柱形曲率。
9.根据权利要求8所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述中心本体(16)的几何形状是椭圆的，其中，与椭圆的最大轴线对应的端部(17)是直的，且顶点被圆化。
10.根据权利要求8所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述接收器(1)的中心本体(16)是矩形的。
11.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述面板(8、9)的几何形状是由直线部分组成的多角曲线。
12.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述流体(7)的进口收集器(5)和排出收集器(6)是竖直的并且被设计为所述流体(7)的进口管道和出口管道的加宽部分。
13.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述后面板(9)配备有外部绝缘体(15)，所述外部绝缘体减少经由对流和辐射到环境引起的损失。
14.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述接收器的前面板和后面板中的至少一个面板包括用于改进到所述流体的热传递的元件。
15.根据权利要求14所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，用于改进热传递的所述元件包括在所述面板(8、9)中的至少一个面板的壁上的粗糙度图案。
16.根据权利要求14所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，用于改进热传递的所述元件由所述面板(8、9)中的至少一个面板的波纹壁构成。
17.根据权利要求14所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，用于改进热传递的所述元件包括沿着所述面板(8、9)中的至少一个面板的壁的安装翼片。
18.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述收集器(5、6)中的至少一个收集器设有内部翼片。
19.根据权利要求1所述的基于面板的太阳能接收器(1)，其特征在于，所述接收器(1)中的每一个接收器构成独立的模块，并且每个太阳能塔(4)配备有所述接收器(1)中的至少一个接收器。
20.一种太阳能塔(4)，其特征在于，所述太阳能塔(4)包括一个或多个如在前述权利要求中所述的接收器(1)。
21.根据权利要求20所述的太阳能塔(4)，其特征在于，所述太阳能塔(4)包括串联布置的，即，彼此相邻地布置的多个接收器(1)。
22.根据权利要求21所述的太阳能塔(4)，其特征在于，所述太阳能塔(4)包括三个串联布置的如权利要求9所述的接收器，其中，该三个串联的接收器(1)的组件调节到太阳辐射的面片(2)或流型图。
23.根据权利要求20所述的太阳能塔(4)，其特征在于，所述太阳能塔(4)包括平行布置的，即，一个在另一个后面布置的多个接收器(1)。
24.根据权利要求23所述的太阳能塔(3)，其特征在于，在接收器之间使用单个中间面板(11)，所述单个中间面板(11)用作前接收器的后面板(9)以及后接收器的前面板(8)。
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