CN106716025A - 用于固体颗粒太阳能接收器的水套 - Google Patents

用于固体颗粒太阳能接收器的水套 Download PDF

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Abstract

一种太阳能接收器，包括：水套面板，每一个水套面板具有光接收侧和背侧，在光接收侧和背侧之间限定水密密封的室；光孔径，所述光孔径穿过所述水密密封的室以从水套面板的光接收侧接收光；传热介质间隙，所述传热介质间隙被限定在水套面板的背侧和圆筒形背板之间；以及光通道管，所述光通道管与光孔径光学耦合并延伸到传热介质间隙中。在一些实施例中，光孔径在水套面板的光接收侧处的端部被焊接在一起以限定所述光接收侧的至少一部分。圆筒形太阳能接收器可使用多个这样的水套面板进行构造，所述多个这样的水套面板被布置为它们的光接收侧面向外。

Description

用于固体颗粒太阳能接收器的水套
本申请要求2014年5月19日提交的美国临时申请No.62/000,517的权益。2014年5月19日提交的美国临时申请No.62/000,517通过参考全文并入此处。根据美国能源部和可持续能源联盟有限责任公司之间的合同第DE-AC36-08GO28308号，美国政府对本发明可拥有某些权利。本发明在合同第DE-AC36-08GO28308号下在可持续能源联盟有限责任公司和Babcock&Wilcox发电集团公司之间的转包合同ZGJ-3-23325-01下进行开发。
背景技术
接下来的内容涉及太阳能发电领域及相关领域。在已知的太阳能聚集设计中，日光反射装置的场将太阳能聚集到(通常塔式安装的)太阳能接收器上。流动的传热介质流过太阳能接收器。这种流动的传热介质从所聚集的光线吸收能量并因此被加热。热的流动的传热介质可有多种用处，例如被馈送到流化床锅炉中以产生用于驱动涡轮发电机的蒸汽。
一些此类太阳能聚集器通过非限制说明性示例在Ma的于2013年10月3日公布的美国公布No.2013/0257056A1(该公布通过参考全文并入此处)中、以及在Ma等人的于2013年10月3日公布的美国公布No.2013/0255667A1(该公布通过参考全文并入此处)中、以及在Maryamchik等人的于2014年4月10日提交并公布为美国公布No.2014/0311479A1的名称为“Concentrated Solar Power Solids-Based System”的美国S/N 14/250,160(该专利通过参考全文并入此处)中有所描述。
发明内容
在本文所公开的一些方面中，一种用于太阳能接收器的模块包括：水套面板，所述水套面板具有光接收侧和背侧以及限定在所述光接收侧和所述背侧之间的水密密封的室；光孔径，所述光孔径穿过所述水套面板的所述水密密封的室以从所述水套面板的所述光接收侧接收光；以及光通道管，所述光通道管与所述光孔径光学耦合并从所述水套面板的所述背侧延伸离开。
在本文所公开的一些方面中，一种太阳能接收器包括：光通道管，所述光通道管在光接收端具有孔径并延伸到传热介质流经的容积腔中；以及夹套，所述夹套包含所述孔径并限定不同于所述传热介质的冷却剂流体流经的室。
在本文所公开的一些方面中，一种太阳能接收器包括：圆筒形面板组件，其中每一个面板包括光孔径和布置来冷却所述光孔径的水密室，每一个面板的所述光孔径被布置来从所述面板的光接收面接收光，面板的所述光接收面自所述圆筒形面板组件面向外；圆筒形背板，所述圆筒形背板被设置在所述圆筒形面板组件内，在所述圆筒形面板组件和所述圆筒形背板之间限定环形间隙；以及光通道管，所述光通道管具有与所述圆筒形面板组件的光孔径连接的开口第一端并且延伸到限定在所述圆筒形面板组件和所述圆筒形背板之间的所述环形间隙中并且具有与所述开口第一端相对的闭合第二端。
下面更具体地描述本公开的这些和其它非限制性方面和/或目的。
附图说明
本发明在各种部件和部件的布置，以及各种过程操作和过程操作的布置中形成。附图仅用于说明优选实施例，并不被解释为限制本发明。本公开包括下列附图。
图1图解地示出说明性太阳能聚集器系统，其中太阳能接收器的放大细节图在由块箭头标识的插图中示出。
图2图解地示出图1的太阳能接收器的一个太阳能接收器模块的侧视图，其中流动的传热介质的流动路径由阴影块箭头图解地指示。
图3－6图解地示出图1的太阳能接收器的太阳能接收器模块的合适组件的各方面。
图7示出图1的太阳能接收器的一个光通道管的放大视图。
图8示出图1的太阳能接收器的前管板的立体图，其中孔径的缩颈部分的内周在插图中示出。
图9图解地示出包括用于冷却太阳能接收器的光孔径的水套面板的太阳能接收器。
图10图解地示出图9的太阳能接收器的一个太阳能接收器模块的侧面截面图。
图11A示出图9和10的光孔径的实施例的侧视图，该光孔径包括扩口段和直边段；图11B示出扩口光接收段的扩口端。
图12示出图9和10的水套面板的一部分的放大侧面截面图，该水套面板包括两个光孔径/光通道管组件。
图13示出图9的太阳能接收器的两个水套面板的邻接边缘的放大视图。
具体实施方式
可通过参考附图来获得对本文中所公开的过程和装置的更全面理解。这些附图仅仅是基于方便和易于展示现有技术和/或发展现状的示意性表示，并且因此不旨在指示组件或其部件的相对大小和尺寸。
尽管为了清楚，在下面的描述中使用特定术语，但这些术语旨在仅指代附图中被选择用于说明的实施例的具体结构，并且不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和下面的下列描述中，要理解相似数字指定指代相似功能的部件。
单数形式的“一(a)”、“一个(an)”以及“该(the)”包括复数指代物，除非上下文明确地另作规定。
由诸如“大约”和“基本”之类的术语修饰的值可以不限定为所指定的精确值。
应当注意，本文所使用的许多术语是相对术语。例如，术语“内部”、“外部”、“向内”和“向外”是相对于中心的，并且不应当被解释为要求结构的特定取向或位置。
术语“水平的”和“垂直的”用来指示相对于绝对参照物(即地平面)的方向。但是，这些术语不应当被解释为要求结构彼此绝对平行或绝对垂直。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不一定彼此平行。
术语“平面”在本文中用来一般指普通水平面，并且应当被解释为指体积，不应当被解释为平坦表面。
就太阳能接收器、锅炉和/或蒸汽产生器的特定术语或原理的解释对理解本公开可能是必要的而言，读者参考《蒸汽/其产生和使用》(Steam/its generation and use)，第40版，Stultz和Kitto编辑，版权1992，Babcock&Wilcox公司以及《蒸汽/其产生和使用》(Steam/its generation and use)，第41版，Kitto和Stultz编辑，版权2005，Babcock&Wilcox公司，其文本通过参考并入此处好像在本文中完全地阐述一样。
参考图1，太阳能聚集器发电设备包括设置在由该设备占用的区域12上面的日光反射装置10的场。日光反射装置10被图解地呈现在图1中，并通常包括诸如束形成光学器件和束转向装置之类的合适部件(未图示)，束形成光学器件通常包括镜子或其他反射器，束转向装置比如多轴机动化系统，束形成光学器件和束转向装置合作来捕捉撞击到日光反射装置上的太阳辐射并将光线形成为能量束14，能量束14被引导至太阳能接收器16，其中日光反射装置10的多轴机动化系统操作来跟踪太阳横跨天空的(明显)移动以保持光束14在一整天都被引导至太阳能接收器16。(本文所使用的诸如“光”、“太阳辐射”和“太阳能”之类的术语可互换地使用，并涵盖来自太阳的被日光反射装置10和/或其他参考系统部件捕获并聚集的所有能量，无论此类太阳能是以可见光的形式、以红外光的形式还是以紫外光的形式。在被太阳辐射加热的部件的情况中，术语“能量”或“太阳能”涵盖以这样产生的热量的形式的能量。)在所示构造中，太阳能接收器16被安装在塔18上的抬高位置处以便在场内各个日光反射装置10和太阳能接收器16之间提供无阻碍的直接视线。然而，可设想其他物理布置，例如，塔可包括顶部安装的镜子系统，该镜子系统将光线向下引导至位于地平面处(甚或更低处)的太阳能接收器(变化例未示出)。
继续参考图1(包括其插图)，并进一步参考图2，太阳能接收器16包括太阳能接收器管模块20的组件，其中的一个太阳能接收器管模块20在图2的侧视图中示出，其中可以看出，太阳能接收器管模块20包括由邻接的光孔径24限定的前管板22(front tube sheet)、与相应的孔径24连接并延伸到接收器管模块20中的光通道管26、以及背板28，光通道管26的“后”端连接到背板28。作为非限制性说明，孔径24和光通道管26可包括弯曲的片材金属(例如，片材钢)部件、拉制管，等等，而背板28可包括金属板(例如，钢板)。举例而言，可通过拉制工艺或通过冲压两个对半并用两条纵缝焊接进行焊接来制造光通道管。如本文所使用，下列取向术语被使用：太阳能接收器模块20的“前”侧由光进入之处的前管板22面向，而太阳能接收器模块20的“背”侧是由背板28面向的侧。光通道管26处于接近水平的取向，但是构想到光通道管26的一些倾斜，例如构想直至约45°的一些角度的向上倾斜以更好地与来自日光反射装置10的光束14的向上的角度对准。模块支撑柱30(例如，金属管或杆)与背板28连接并向后方延伸。任选地，绝缘和保温套32被提供在模块20的背侧上，例如接触背板28，以减少自模块20的背侧的热损耗。
返回参考图1的插图，太阳能接收器模块20被组装以将太阳能接收器16形成为具有面向外的圆筒形表面42和面向内的圆筒形表面48的中空圆筒形结构，所述面向外的圆筒形表面42由邻接的太阳能接收器模块20的邻接的平面前管板22限定，所述面向内的圆筒形表面48由邻接的太阳能接收器模块20的邻接的弯曲背板28限定。两个圆筒形表面42、48限定环形间隙50，针对图2中所描绘的单个太阳能接收器模块20，也指示该间隙50。从图2将理解，太阳能接收器模块的光通道管26延伸穿过两个圆筒形表面42、48之间的环形间隙50，以及光束14穿过面向外的圆筒形表面42中的孔径24将光适当地输入光通道管26。太阳能接收器模块20由它们各自的模块支撑柱30适当地支撑在固定到塔18的桁架(truss)或其他支撑结构52上。
继续参考图1和2，流动的传热介质56(在图2中由向下的阴影块箭头图解地指示)在重力作用下一般向下流过间隙50。流动的传热介质56因此在光通道管26的外表面上面流动。例如通过在它们内表面上包括适合的吸收涂层、任选地琢面(facet)以使光在光通道管26内散射以便增加吸收的机会数，等等，这些管26被优选地构造以便吸收引导的光中的大部分。因此，引导穿过光通道管26的太阳能对管26加热并且所述热接着被传递给流动的传热介质56。以这种方式，光束14中所含的太阳能被转化成流动的传热介质56中所含的热能，且因此太阳能作为离开太阳能接收器16的底部的流动的传热介质56中的热被包含。
特别返回参考图1，离开太阳能接收器16的底部的被加热的流动的传热介质56可有多种用处。在说明性示例中，离开太阳能接收器16的底部的被加热的流动的传热介质56进给到图1中图解地示出的储存仓57和流化床锅炉或热交换器58中。储存仓57提供热储存能力，因为热颗粒被储存在仓57中且可例如被用于在多云的白天期间或在晚上提供热能。经由仓57的热储存将能量收集和发电解耦从而允许可调度的、连续的发电。流化床锅炉或热交换器58可例如包括鼓泡流化床(BFB)或循环流化床(CFB)锅炉或热交换器等，在其中，被加热的流动的传热介质56分散在流化床上以便加热水(以形成蒸汽)或者诸如空气或超临界的CO2等其他工作流体以驱动动力循环和涡轮发电机(未图示)从而产生电功率或从而执行其他有用的工作。
流动的传热介质56通常是流动的颗粒介质，比如(例如具有大约几百微米数量级的平均颗粒大小的)硅砂或煅烧燧石粘土，但并不限于此(例如，构想采用空气作为流动的传热介质)。在流动的传热介质56是流动的颗粒介质的典型的实施例中，要理解的是，这种流动的颗粒介质充当被分散到流化床锅炉或热交换器58的流化床上的热“流体”。换言之，本文就流动的传热介质56而言所使用的术语“流体”涵盖流动的颗粒介质。
参考图1，流动的颗粒介质在将其热量交给热交换器之后通过(例如由电机、柴油发动机等驱动的)任何适当的升降机结构适当地返回到太阳能接收器16的顶部。图1的顶部插图图解地示出为此目的的包括接收器斗式升降机和固体分配料斗的合适的返回结构60。
参考图2，前管板22和背板28限定太阳能接收器模块20的间隙50，流动的传热介质56穿过间隙50在光通道管26的外表面上面流动。因此，前管板22和背板28应当密封以防流动的传热介质56泄漏到模块20的外面。此外，光通道管26与前管板22的连接也应当密封以防流动的传热介质56泄漏到孔径24或光通道管26中，因为任何这种泄漏会引起光通道管26中的堵塞和/或导致流动的传热介质56流出到太阳能接收器模块20的外面。此外，将理解，邻接的模块20之间的接口应当被类似地密封。也就是说，面向外的圆筒形表面42的邻接的前管板22之间的接口和面向内的圆筒形表面48的邻接的背板28之间的接口应当密封以防流动的传热介质56的泄漏，以便密封以防从太阳能接收器16的环形间隙50泄漏。
另一考虑是太阳能接收器16在启动、关闭、云瞬变以及紧急跳闸的过程中经受大量的热循环。在一些构想的意在运行流化床锅炉或热交换器的实施例中，流动的传热介质56将被加热到约800℃(1470℉)的温度。因此，太阳能接收器16针对在一些实施例中0℃-800℃范围上的以及在其他构想的实施例中的甚至更大的温度范围上的热循环应当是稳健的。
参考图3-8，用于组装太阳能接收器模块20以满足这些设计因素的合适的方法(提供低应力热膨胀)被描述。图3、5和6示出组装操作的图解立体图。图4图解地示出在图3所描绘的操作中使用的合适焊接。图7示出所组装的太阳能接收器模块的一个光通道管26的放大的图解侧面截面视图。图8示出前管板22的图解透视图，其中孔径的缩颈部分的内周在插图中示出。
图3示出第一组装操作的图解透视图，其中少数(示例性为四个)光通道管26被焊接到前管板22的它们各自的对应孔径24。所焊接的光通道管26被任选地选择为中央且相邻地定位以便最小化所焊接的光通道管26之间的有差别的热膨胀，但是拟焊接的光通道管26的其他选择也是合适的。图4图示出用于图3中所描绘的操作的合适的焊接方法。在该方法中，拟焊接的每一个管被压配到前管板22的配对开口上或压配到上述配对开口中，且角焊缝(fillet weld)70由合适的焊接工艺形成。在如图3和4示出的直接相邻焊接的管的情况中，一些内表面72可能不能用于焊接(虽然这些表面中的一些在插入相邻管之前执行焊接的情况下可用于焊接)。在替代的方法中，所焊接的管被选择为在阵列中间隔开，使得可在每一个管上作出对称的和/或额外的焊接以便提供前管板的额外支撑/刚度从而抵抗例如风荷载。
图5描绘了下一操作的图解透视图，其中其余的光通道管26被插入它们的对应孔径24中，但并未被焊接。为此，如图7和8中所见，前管板22的每一个孔径24的背侧包括缩颈部分74，缩颈部分74限定面向光通道管26的端部的内周76。如图7中所见，光通道管26的外周被尺寸设定为略小于孔径24的缩颈部分74的匹配的内周76，而将管端插入孔径24的缩颈部分76中在管26的端部和孔径24之间形成滑动接头80(在图7中标示出)其他的滑动接头构造也被构想。例如，管可具有比上述孔径的缩颈部分大的直径，在这种情况中，上述孔径的缩颈部分适配该管端的内部。此处要注意，光通道管26可具有不同的周界形状，比如三角形、圆形、正方形或菱形、规则或扩口六边形，等等。在图3-8的说明性示例中，光通道管26具有规则六边形周界，且因此，孔径24的缩颈部分74的内周76为对应的六边形，如图8的插图中所见。
在图8的说明性示例中，孔径24在前管板22的前侧具有六边形周界，其中每一个孔径24的缩颈导致孔径24的光输入(即，前)侧向外扩口或近似锥形地扩展。这提高通过孔径24的光收集效率。另外，通过在前管板22的前侧制造具有六边形周界的孔径24，它们可形成如图8中所见的蜂巢结构，该结构最大化前管板22的将光收集到光通道管26中的收集面积。可使用其他几何形状，比如圆形孔径，但这种几何形状会导致圆形孔径之间的不引导到光通道管中的增加的“死区”，降低接收器效率。
图6描绘了下一操作，其中背板28通过紧固件82附连到光通道管26的后端，紧固件82以说明性示例可以是与自光通道管26的后端延伸的螺柱84(参见图5)连接的垫圈/螺母紧固件。特别参考图7，在一种构造中，包括螺柱84的端盖86被焊接到光通道管26的后端。
在根据参考图3-8所描述的工艺制造的太阳能接收器模块20中，每一个光通道管26以悬臂方式自背板28借助紧固件82、84来支撑。光通道管26的前端通过滑动接头80被横向约束，但在轴向方向上(也就是说，在管轴的方向上)自由扩展或收缩。这允许独立的热膨胀以容纳操作在不同温度下并因此膨胀到不同长度的管。在焊接的光通道管26(图3-4的那些光通道管)的情况中，管的热膨胀不被滑动接头容纳而是具有分别响应于太阳能接收器模块20的加热或冷却而向外(在热膨胀期间)或向内(在热收缩期间)移动前管板22的效应。光通道管中的其余(大多数)光通道管的滑动接头容纳光通道管26的阵列当中的热膨胀的任何差别。前管板22由所有的光通道管26支撑，但在管轴方向上仅通过图3-4的焊接管固定。
在替代实施例中，构想采用焊接在背板28和前管板22之间的分开的指定拉杆(未图示)来提供管轴方向上的支撑，而非如图3-4的操作中那样通过焊接指定的光通道管26获得这种轴向支撑。这种采用拉杆的替代方法具有为所有的光通道管26采用该滑动接头74的优点(因为在该替代实施例中没有一个光通道管26被焊接到前管板22)，但代价可能的是要损失一些光接收区域(即，选择移除管以为拉杆腾出空间)以容纳指定的拉杆。另外，在执行数值热分析时应当考虑拉杆对流动的传热介质56的流径的影响。
特别参考图7和8，前管板22针对间隙50(参见图2)提供模块内的管之间的前侧密封。为此，在前管板22的前侧处的六边形孔径周界(其形成图8中所见的蜂巢结构)被接合以创建上述密封。在一种构想的方法中，通过将与孔径24对应的六边形开口冲制到单个金属片材(例如单个钢片)中并接着使用片材金属成型工具对所述开口进行加工以限定缩颈部分74来形成前管板22。
参考图7，在另一构想的方法中，每一个六边形孔径24由片材金属单独形成，六边形周界的六条边为平面边87(flat side)。接着，邻接孔径中的每一对的平面边87被焊接在一起以组装前管板22。可构想其他方法。例如，在变化例方法中，所述边在六边形周界围绕该模块的周界的分段中的一至四个分段上是平面的，而在两个孔径邻接的其余分段上是直的。在这种情况中，只有每个邻接孔径的边缘被焊接在一起以组装前管板22。作为又另一变化例，构想采用分开的或整合的管盖件(tube cap piece)，所述管盖件被焊接到所述管的后端或者形成为该管的一部分以帮助作出良好的密封。
在诸如图1-8的那些之类的固体颗粒太阳能接收器设计中，在太阳能接收器模块20的外部面上的光进入光通道管26之处的扩口的管开口(孔径)24在孔径24的内表面上适当地采用反射涂层并且固体颗粒在外侧上流动以保持它们是冷的。这些孔径24被暴露于来自日光反射装置10的场的高水平的聚集的太阳能热通量。邻接孔径24之间的颗粒流区域因它们接合在一起之处的扩口端而由小的、V形的通道构成。颗粒在该区域中高效冷却孔径24的能力被限制。
在其他实施例中，取代用固体颗粒冷却孔径，本文所公开的更有效的方法是用水冷却它们。水冷却可降低操作金属温度并增加接收器的设计寿命(典型地，30年)。在较低的操作金属温度情况下，较低级的合金亦可被用于所述孔径。这些优点可潜在地降低制造和维护成本以及提高可靠性。
参考图9和10，在该实施例中，太阳能接收器120包括具有与光通道管126连接的孔径124的外部光接收面。所述孔径的内侧是高反射性的，例如涂布有反射镜面(优选地不扩散)涂层以最大化到管中的光的传送。所述管的内侧需要是至少部分地光学吸收的以转换收集到的光能，并且例如可被涂布有各种吸收性涂层以控制沿所述管的长度传播的光并最大化到围绕所述管的外侧流动的颗粒的热传递。更特别地，太阳能接收器120的外部光接收面包括一组水套面板130，该组水套面板130形成太阳能接收器120的外圆周。图9示出太阳能接收器120的立体图而图10示出侧面截面图。在一个构想的实施例中，每个水套面板130约12英尺宽并且60英尺长，使得它们可作为此类水套面板的堆叠用卡车运输，但是也可构想其他尺寸。在该说明性示例中，针对46英尺直径的接收器会提供十二个单独的水套面板130；更一般地说，亦可构想其他数量的面板。每个水套面板130包括外部光接收面122，外部光接收面122形成太阳能接收器120的圆周的外部光接收面的一部分。孔径124在水套的外部光接收面处被焊接在一起，或者如图9和10的示例性实施例中所示，外部光接收面122由相互焊接从而限定光接收面122的孔径124限定。水套面板130进一步包括与外部光接收面122平行(或并排)的内部面132、以及连接壁(例如所示的连接外部光接收面122的外周和内部面132的外周以限定水套面板130的室140(plenum)的侧板134、顶板136和底板138。内部面132位于太阳能接收器120的外部光接收面122和圆筒形或弯曲的背板128之间。(背板128相当于图2、6和7的实施例的背板28。)相较于太阳能接收器的背板128，水套面板130的内部面132通常相对更靠近外部光接收面122以便将水套130的室140限定为近似(或包含)孔径124的相对较薄的室(或在所组装的圆筒形太阳能接收器中的外环形间隙140)。相较之下，相对较厚的密封间隙150(或所组装的圆筒形太阳能接收器120中的内环形间隙)被形成在水套130的内部面132和圆筒形或弯曲的背板128之间，传热颗粒(或更一般地说，传热介质56)流经间隙150。间隙150对应于图1－2的实施例的太阳能接收器的间隙50，而流动的传热介质56对应于图2的实施例的流动的传热介质56。水151被并行地泵送穿过示例性的十二个水套面板130中的每一个(要理解，面板的数量可以不同于十二个面板的说明性示例)，在底部处通过水入口152进入、流经限定在外部光接收面122和内部面132之间的室140、并在顶部处通过水出口154作为无蒸汽的热水155离开(但是也可构想提供一些蒸汽转换的设计)。从底部到顶部的水流(如所示)有利地在太阳能接收器120的底部处施加最大冷却并在太阳能接收器120的顶部附近施加较少冷却，在该底部，向下的流动的传热介质56由于在穿过太阳能接收器120的输送中已获得的热量而是最热的，在该顶部，传热介质56是较冷的。亦可构想经由自然循环(无泵)穿过水套面板130的水流。被加热的水155任选地用作发电周期中的预热的馈送水以提高设备效率。
参考图11－12，在一种合适的制造工艺中，每一个孔径124包括具有六边形横截面的扩口光接收端160以及也具有六边形横截面的直边端162。图11A示出包括扩口段和直边段160、162两者的孔径124的侧视图，而图11B示出扩口光接收段160的扩口端160E。在一种方法中，孔径124从片材金属单独地冲压，如图11A和11B中所示。如图12中所示，每个孔径124的直边端162被焊接或钎焊至具有六边形孔的弯曲内板132以提供水密密封。孔径124的直边端162突出穿过内板132并支撑被压配到直边端162的开口中的六边形光通道管126。在图12中，光通道管126的开口端适配直边端162的内部。这种设计是有利的，因为对光通道管126的加热使它比较冷的孔径124热膨胀更多，从而作出更紧密的适配并降低松开的可能性。在图10和12的说明性示例中，管126不是由背板128支撑或连接到背板128，而是具有如图10和12中所示的自由端。水套130承载管126，并且因水冷却而比背板128更少地向下膨胀。相较于在大约热颗粒56的温度下操作的背板128，水套130因水冷却而在较低的温度下操作。通过从与水套130连接的第一端悬臂式地支撑管126，而非将它们的第二(即“后”)端连接到背板，水套130相对于背板128的有差别的热膨胀被有利地容纳。邻接孔径124的扩口光接收段的端160E被焊接或钎焊到一起以在水套的外部面处形成水密密封(也就是说，以形成外部光接收面122)。标签160T(在图11A和12中示出)或其他接合特征可被形成在光接收段160的扩口端160E上以帮助焊接并增大水侧上的V形流通道的尺寸以便更好地冷却。光接收面122进一步包括外周封闭板164(参见图9以及图13的放大视图)，外周封闭板164限定每一个水套面板130的外部光接收面122的矩形周界。如图9所示，每一个水套面板130还具有两个侧板134、顶板136以及底板138以完成围封。用反射涂层(可以是与对孔径124的内侧施加的反射涂层相同的反射涂层)涂布围绕水套面板130的周界的外部周界封闭板164以降低蒸汽和热点的可能性。顶板、底板、侧板和内板的外侧不被涂布。
返回参考图9，在合适的安装布置中，每一个水套面板130自接收器支撑框架(例如，如图1中所示的固定到塔18的桁架或其他支撑结构52)由支撑杆182顶部支撑，并且如图9中所示抵靠邻接水套面板的垂直边对接以形成圆筒形太阳能接收器120。在一个构想的实施例中，水套面板130在相邻的外部周界封闭板164处不被焊接在一起以免破坏涂层，而是使用密封条170在邻接的侧板134处在水套的内部面132上被焊接在一起。在一种方法中，密封条170被工厂焊接(shop welded)到一个面板并在现场组装过程中现场焊接(fieldwelded)到邻接的面板，因而防止固体颗粒在相邻的水套面板130之间的间隙处泄漏到接收器120外面。有利地，水套面板130可以是全高度的，而没有热变形和弯曲的风险，因为它们被设计为在低且均匀的温度(由于水冷却)下操作。较低的表面温度还减少了热损耗并提高了太阳能接收器120的效率。
如在图1－8的说明性实施例中，六边形管126按径向取向的六边形管126的圆筒形阵列进行布置，其中所聚集的太阳能进入扩口端160E并被反射到每一个光通道管126的内部。冷的固体颗粒56进入太阳能接收器120的顶部，并向下流过六边形管126上的颗粒环形部150(即传热颗粒56或其他传热介质流经的环形间隙150)以吸收太阳能，并且作为热颗粒离开太阳能接收器120的底部以被随后储存并用作用于发电周期的热源，例如已参考图1所描述的。
返回参考图9和10，颗粒环形部150的外壁由如图10中所示的水套面板130的内部面132适当地形成。颗粒环形部150的内壁(即背板128)的合适的实施例如在图1－8的实施例中所描述的，且内壁128基本上是大的中空圆筒，其在一个实施例中亦由顶部支撑杆180顶部支撑并且在一种合适的方法中可用纵缝焊接从轧制板进行制造。在一些实施例中，颗粒环形件150的内壁128是单独件，不连接到水套或六边形管，因为它在显著更高的温度(大体上等于颗粒温度)下操作，因此比水套130向下膨胀更多。在这种方法中，水套130通过顶部支撑杆182单独地悬置。水套130和颗粒环形件150的内径(ID)(也就是说，单独地悬置的背板128)两者可在底部例如使用图10中所示的保险杠系统190横向加固到支撑结构52以抵抗风荷载和地震荷载，保险杠系统190允许水套130和内壁128的受引导但自由独立的向下热膨胀。
图9－13的实施例的水套130提供多种优势和益处，包括(但不限于)：孔径124的操作金属温度被显著降低从而降低风险并提高可靠性；常规的、久经考验的、现成的反射涂层在孔径124内部的使用，这降低了开发成本和材料成本并降低性能和耐久性上的风险；模块之间在外部面上的颗粒密封的消除；降低的太阳能接收器热损耗，因为接收器的外径(OD)在显著较低的表面温度下操作，导致较高的接收器效率，这允许更小的、更低成本的日光反射装置场；由水吸收的热量可被用在发电周期中从而提高设备效率；较低的孔径金属操作温度促进低合金或碳钢材料的使用，导致提高的可制造性和降低的成本；以及较低的孔径温度可促进钎焊接头的使用，钎焊接头相较于焊接可显著降低制造成本。
虽然说明性示例采用水作为夹套冷却剂流体，但可以构想采用其他冷却剂流体(不同于传热介质)，比如两相水-蒸汽混合物、强制空气流，等等。
已经描述了包括优选实施例的说明性实施例。虽然具体实施例已被示出并详细描述以阐述本发明和方法的应用和原理，但将理解，这无意于以此限制本发明并且本发明可以其他方式具体化却不背离这些原理。在本发明的一些实施例中，本发明的某些特征有时候在没有其他特征的相应使用的情况下可用于获得优点。相应地，所有此类改变以及实施例恰当地落在下面的权利要求的范围内。显然，在阅读和理解前述详细描述时人们会想起修改和变更。旨在使本公开被解释成包括所有此类修改和变更，只要修改和变更进入所附权利要求或其等效物的范围之内。

Claims (21)

1.一种用于太阳能接收器的模块，包括：
水套面板，所述水套面板具有光接收侧和背侧以及限定在所述光接收侧和所述背侧之间的水密密封的室；
光孔径，所述光孔径穿过所述水套面板的所述水密密封的室以从所述水套面板的所述光接收侧接收光；以及
光通道管，所述光通道管与所述光孔径光学耦合并从所述水套面板的所述背侧延伸离开。
2.如权利要求1所述的模块，其中所述光孔径在所述水套面板的所述光接收侧处的端部被焊接在一起以限定所述水套面板的所述光接收侧的至少一部分。
3.如权利要求1所述的模块，其中：
所述光孔径在所述水套面板的所述光接收侧处的端部与所述水套面板的所述光接收侧形成水密密封；以及
所述光孔径在所述水套面板的所述背侧处的端部与所述水套面板的所述背侧形成水密密封。
4.如权利要求1所述的模块，其中所述水套面板进一步包括将所述水套面板的所述光接收侧的外周与所述水套面板的所述背侧的外周连接以密封所述水密密封的室的侧板、顶板和底板。
5.如权利要求4所述的模块，其中：
所述水套面板包括设置在所述水套面板的所述底板处的水入口和设置在所述水套面板的所述顶板处的水出口。
6.一种结合如权利要求5所述的模块进行操作的太阳能接收器方法，所述太阳能接收器方法包括：
将水泵送到在所述水套面板的所述底板处的所述水入口中，从而水向上流经限定在所述水套面板的所述光接收侧和所述水套面板的所述背侧之间的所述水密密封的室；以及
将传热介质输入限定在所述水套面板的所述背侧和背板之间的传热介质间隙中，从而传热介质向下流经所述传热介质间隙。
7.一种太阳能接收器，包括：
被布置为圆筒形的模块组件的多个如权利要求1所述的模块，其中它们的水套面板的所述光接收侧面向外；以及
被设置在所述圆筒形的模块组件内的圆筒形背板，其中在所述水套面板的所述背侧和所述圆筒形背板之间限定传热介质间隙。
8.如权利要求7所述的太阳能接收器，进一步包括：
顶部支撑杆，所述模块自所述顶部支撑杆悬置；
顶部支撑杆，所述圆筒形背板自所述顶部支撑杆悬置；以及
横向保险杠，所述横向保险杠将所述水套面板的所述背侧与所述圆筒形背板间隔开以维持所述传热介质间隙。
9.如权利要求7所述的太阳能接收器，进一步包括：
在相邻的水套面板之间焊接的密封条。
10.一种太阳能接收器，包括：
光通道管，所述光通道管在光接收端具有孔径并延伸到传热介质流经的容积腔中；以及
夹套，所述夹套包含所述孔径并限定不同于所述传热介质的冷却剂流体流经的室。
11.如权利要求10所述的太阳能接收器，其中所述传热介质流经的所述容积腔是内环形间隙而所述冷却剂流体流经的所述室是围绕所述内环形间隙的外环形间隙。
12.如权利要求10所述的太阳能接收器，进一步包括：
所述传热介质包括传热颗粒。
13.根据权利要求12所述的太阳能接收器，进一步包括：
所述冷却剂流体包括水。
14.一种结合如权利要求10所述的太阳能接收器进行操作的方法，所述方法包括：
使所述传热介质向下流过所述容积腔；以及
以下步骤中的一项：
(1)将包括水的所述冷却剂流体向上泵送穿过所述夹套的所述室，和
(2)提供穿过所述水套的所述室的、包括向上的水流的冷却剂流体的自然循环流。
15.一种太阳能接收器，包括：
圆筒形面板组件，其中每一个面板包括光孔径和布置来冷却所述光孔径的水密室，每一个面板的所述光孔径被布置来从所述面板的光接收面接收光，面板的所述光接收面自所述圆筒形面板组件面向外；
圆筒形背板，所述圆筒形背板被设置在所述圆筒形面板组件内，在所述圆筒形面板组件和所述圆筒形背板之间限定环形间隙；以及
光通道管，所述光通道管具有与所述圆筒形面板组件的所述光孔径连接的开口第一端并且延伸到限定在所述圆筒形面板组件和所述圆筒形背板之间的所述环形间隙中并且具有与所述开口第一端相对的闭合第二端。
16.如权利要求15所述的太阳能接收器，其中每一个面板的所述光孔径被焊接在一起以形成所述面板的所述光接收侧的至少一部分。
17.如权利要求15所述的太阳能接收器，其中所述圆筒形面板组件中的每一个面板进一步包括背板、侧板、顶板和底板，它们的周界被连接以限定所述水密室。
18.如权利要求15所述的太阳能接收器，其中所述光通道管的所述闭合第二端不连接到所述圆筒形背板。
19.如权利要求18所述的太阳能接收器，其中所述圆筒形面板组件和所述圆筒形背板被分开支撑。
20.如权利要求19所述的太阳能接收器，进一步包括：
保险杠，所述保险杠被设置在所述圆筒形面板组件和所述圆筒形背板之间以维持限定在所述圆筒形面板组件和所述圆筒形背板之间的所述环形间隙。
21.如权利要求15所述的太阳能接收器，其中所述圆筒形面板组件中的相邻面板在它们的邻接边缘处被焊接在一起。
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