CN107208931A - 空气帘控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于太阳能热接收器的空气帘控制系统，包括：至少一个空气射嘴(505)，其布置成在太阳能热接收器的接收器孔509的至少一部分上产生连续的平面空气帘(507)；空气流控制装置(517)，其用于控制空气流流出空气射嘴(505)的速度；至少一个角度控制装置(503)，其用于控制空气帘(507)相对于接收器孔509的角度；以及系统控制器(501)，其布置成控制空气流控制装置(517)和角度控制装置(503)以使接收器孔(509)与接收器孔(509)外部的环境元素隔离。

Description

空气帘控制系统及方法
技术领域
本发明总体涉及一种空气帘控制系统及方法，并且更具体地，涉及一种用于太阳能热接收器的空气帘控制系统和方法以及太阳能热接收器。
背景技术
太阳能热接收器用于从抛物面式反射盘和定日镜场收集定向的太阳能辐射。热接收器通过打开的孔从太阳接收聚合的太阳能辐射。典型地，接收器内的管内部的流体吸收热，然后热被用来生成能量。图1示出了作为单盘太阳能收集器103的一部分的太阳能集热器101的实例。
在收集太阳光时会有各种利用太阳能接收器的无效率，太阳能接收器包括在收集太阳光时在接收器处通过传导、对流和辐射的热损耗以及光损耗。图2示出了太阳能热接收器203的概念性温度场201，其从接收器孔205损失热量。如从图2中所见，缺少空气帘时，明显的空气分层发生，因为对于所有稍微大于0度的倾斜角度而言，停滞区域都受困于腔接收器中。
空气帘通常已经用于店面前部环境中以使商店的热损耗最小化。这些类型的空气帘使用最小接近密封机制，其仅被要求产生延伸到地板的空气帘。换句话说，地板提供了一种通过将流动的垂直分量降低到零而重新导引并包含空气帘的机制。太阳能热接收器没有地板的等效物来使得等效系统能够有用。进一步地，这些类型的空气帘通常受限于降低水平连接的体积之间的热传递。这种单元抑制温度受控的内部环境和不受控的外部环境之间的空气对流交换。
进一步地，空气帘已经用于具有固体颗粒下降流的系统中，该固体颗粒下降流用来直接吸收热能。在这些系统中，空气帘被向上导引以帮助稳定和限制颗粒流。然而，它们的目的并不是抑制由于来自热接收器的加热表面的对流而导致的热损耗。
在用于太阳能热接收器的空气帘系统中，具有被朝着接收器的孔导引的空气射流是已知的。然而，在这些系统中，生成的空气帘横向于整个孔，这不可能提供最佳的性能。进一步地，这些现有的系统并未考虑太阳能热接收器中的压力分布。
发明内容
本发明的目的在于基本上克服或者至少改善现有布置的一个或多个缺点，或者至少给公众提供一有益选择。
公开的是以下布置：其通过以最小化热损耗的方式控制用于太阳能接收器的空气帘而寻求处理以上问题。
根据本公开的第一方面，提供了一种用于太阳能接收器的空气帘控制系统，其包括：至少一个空气射嘴，其布置成在太阳能热接收器的接收器孔的至少一部分上产生空气帘；空气流控制装置，其用于控制流出空气射嘴的空气流的速度；至少一个角度控制装置，其用于控制空气帘相对于接收器孔的角度；以及系统控制器，其布置成控制空气流控制装置以使接收器孔与接收器孔外部的环境元素隔离。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于太阳能热接收器的空气帘控制方法，包括以下步骤：在太阳能热接收器的接收器孔的至少一部分上从至少一个空气射嘴产生空气帘；控制流出空气射嘴的空气流的速度；控制至少一个空气射嘴相对于接收器孔的角度，其中，控制空气流的速度和空气帘的角度以使接收器孔与接收器孔外部的环境元素隔离。
根据本公开的再一方面，提供了一种太阳能热接收器，包括在太阳能热接收器的接收器孔的至少一部分上产生空气帘的至少一个空气射嘴、用于将空气抽出接收器孔的空气抽取装置以及用于将空气喷射到接收器孔中的空气喷射装置。
还公开了本发明的其他方面。
附图说明
现在将参照附图和附件描述现有技术的一些方面和本发明的至少一个实施方式，其中：
图1示出了用于太阳能热接收器的现有布置；
图2示出了用于太阳能热接收器的概念性温度场；
图3示出了从空气射嘴发出的空气行为的数学模型的表示；
图4示出了根据本文公开的作为空气帘速率的函数的空气帘效能，其用于改变腔倾角；
图5示出了根据本文公开的空气帘控制系统的示意图；
图6示出了根据本文公开的太阳能热接收器的一个实例；
图7示出了根据本文公开的太阳能热接收器的一个实例；
图8示出了根据本文公开的空气射嘴模块的一个实例；
图9A-9D示出了根据本文公开的空气射嘴的各种构造；
图10示出了根据本文公开的平面空气帘的单个射嘴；
图11A-11C示出了根据本文公开的太阳能热接收器上的空气射嘴构造的进一步的实例；
图12A和12B示出了根据本文公开的使用第一操作模式控制的热接收器的热图像；
图13A和13B示出了根据本文公开的使用第二操作模式控制的热接收器的热图像；
图14A-14E示出了根据本文公开的等值线图，其表明使用不同构造的空气帘系统的两个操作模式的效能。
具体实施方式
在附图的任何一幅或多幅附图中参看具有相同附图标记的步骤和/或特征情况下，这些步骤和/或特征就本说明书而言具有相同功能或操作，除非出现相反目的。
腔式接收器中经历的高温通过传导、辐射和对流导致大量的热损耗。这些热损耗机制取决于包括操作条件和外部环境的多种因素，但是并不总是相关。不同类型的接收器技术涉及不同的聚光方法，其中线式接收器与线式菲涅尔和槽式系统有关，塔式接收器与太阳能塔有关，中心腔式接收器与盘式聚光器技术有关。
对流的热传递构成在固体表面和相邻的流体主体(例如，空气)之间发生的任何热传递。这种热传递可以进一步分类成强制对流和自然对流。自然对流指的是因为流体密度不同而发生的流体运动，例如，接近接收器表面由于流体的传导加热产生的流体密度不同。强制对流指的是通过外部强制流动(例如，阵风)而导致的热传递。
图3示出了空气射嘴行为的数学模型的表示，其用数学术语描述了在射流出口(喷嘴)301处的空气和远离射流出口(喷嘴)303一定距离y处的空气之间的关系，其中扩展的射流对应于空气帘509。术语空气射嘴在某些实例中指的是单个空气射嘴和共同存在的喷嘴。在其他实例中，空气射嘴可以包括一个或多个喷嘴。
这是针对非布西内斯克(Boussinesq)和垂直导引空气帘的方程的概述。假设水平腔具有均匀的温度Tc(密度ρc)，并且环境条件是均匀温度T∞(密度ρ∞)。应该注意，对于热腔，ρc<ρ∞。进一步假设整个流动标称地处于恒压(大气压)pa下。
任何高度下，变量为：
·与射流源距离y
·射流宽度b
·射流速率(长流)u
·射流密度ρ(对应于射流的空气温度T)
·射流中的比焓
支配方程可以写成以下形式：
1.质量守恒：
其中α(z)表示湍流射流中的卷吸(entrain)；α(z)例如在射流卷吸的高度范围内可以采用固定值≈0.08，以及在卷出(detrain)发生的高度范围内可以采用负值。
2.动量守恒
其中，g是重力加速率。
3.能量守恒
其中h∞和hc分别是环境空气和腔空气的比焓。
4.热力学/理想气体约束：
其中cp是恒压(对于空气大约恒定)下的比热，而R是用于空气的比气体常数(来自理想气体定律p/ρ＝RT).
射流在y＝0处被赋初值，其中宽度b0，速率U0(向下正数)，以及密度ρ0＝ρa(对应于温度Ta)；方程需要向下积分(y>0)，但是仅在U>0时有效(即，射流不颠倒方向)。
与射流卷吸(并且卷吸常数α已知)的高度的初始范围内的计算流体动力学相比较，模型结果很好。需要将模块方程归纳为允许初始以一角度向垂直方向导引的射流并且计算经受横向力的射流的曲线轨道。
太阳能热接收器的倾角可以改变，并且这种改变影响从接收器的孔损失的热量。图2示出了热接收器中的建模的温度场，该热接收器在大约45度的倾角遭受了对流热损耗。
可以将空气帘的效能ε定义成：
其中，QACD是具有应用的空气帘的热损耗，Q0是没有以给定角度使用空气帘的热损耗。在图4中，针对每个腔，示出了作为空气帘速率的函数的效能。由图4可以看出，水平腔具有最大55-70％的效能，其中空气帘速率为1.4-2.2m/s。
当腔以15o和75o之间的角倾斜时，空气帘效能达到在30％至60％的范围内的最大值，这明显小于如图14C中所见的水平腔。此外，空气帘的相对效能被证明随着腔倾角增加而变得对空气帘速率更加敏感。
图5示出了空气帘控制系统5001的示意图。该系统具有用于控制太阳能热接收器101的系统控制器501。
系统控制器501可以是可以操作控制机电系统的任何适当的电气或电子装置。例如，系统控制器可以是包括以下部件的计算机系统：计算机模块；诸如键盘和鼠标指针装置的输入装置；以及包括显示装置和扬声器的输出装置。外部调制器解调器(调制解调器)收发器装置可以通过计算机模块使用，该计算机模块用于经由网络连接(例如，WAN、LAN或因特网)与通信网络往返通信。
计算机模块典型地包括至少一个处理器单元以及存储器单元502(例如，随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM))。计算机模块也包括多个输入/输出(I/O)接口，其包括：耦接到视频显示器、扬声器和麦克风的音频/视频接口；耦接到键盘和鼠标的I/O接口；以及用于外部调制解调器和打印机的接口。计算机模块还可以具有本地网络接口，其允许计算机系统通过连接而耦接到局域通信网络(称为局域网(LAN))。
I/O接口可以采用串行和/或并行连通，前者典型地根据通用串行总线(USB)标准实现并且具有对应的USB连接器(未示出)。存储装置被提供并且典型地包括硬盘驱动器(HDD)。可以使用诸如软盘驱动器和磁带驱动器(未示出)的其他存储装置。光盘驱动器典型地设置成充当数据的非易失性源。
计算机模块的部件典型地经由互连总线和以下方式通信：产生所属领域中技术人员已知的计算机系统的惯用的操作模式。
控制热接收器的方法可以使用计算机系统实施，其中可以将算法实施成可在计算机系统中执行的一个或多个软件应用程序。
软件可以存储在包括例如以下所述的存储装置的计算机可读介质中。软件被从计算机可读介质加载到计算机系统中，然后由计算机系统执行。具有这种记录在计算机可读介质上的软件或者计算机程序的计算机可读介质是计算机程序产品。
软件典型地存储在HDD或者存储器中。软件从计算机可读介质加载到计算机系统中，并且由计算机系统执行。因此，例如，软件可以存储在由光盘驱动器读取的光学刻度存储介质(例如，CD-ROM)上。具有这种记录在其上的软件或计算机程序的计算机可读介质是计算机程序产品。
图5中的示意图示出了单个空气射嘴/喷嘴505。然而，应该理解，如以下所解释的，可以存在布置成产生空气帘507的多个空气射嘴。空气帘可以是平面的空气帘，其中，空气帘在空间上基本上布置成形成空气层。空气帘可以是非平面的空气帘，其中，空气帘根据空气射嘴的布置而成形，例如，成形为圆形或者半圆形式。空气帘可以在空间上连续，或者可以是在空气帘的至少一部分内在空间上半连续的空气帘。例如，排出空气射嘴的空气的初始部分可以不形成空间上连续的空气帘，但是可以远离空气射嘴一距离形成为空间上连续的空气帘。此外，空气帘可以是暂时连续的或者暂时半连续的空气帘。例如，空气帘控制系统可以使离开空气喷嘴的空气脉动，以产生间歇的空气流。间歇的空气流可以一起形成以产生空间上半连续的空气帘的空间上的连续。此外，如以下更加详细解释的，空气帘507产生，以使得其覆盖或围绕热接收器孔509的至少一部分。也就是说，热接收器的孔的整个长度和宽度可以被空气帘覆盖，或者仅孔的长度和宽度的一部分可以被空气帘覆盖。应该理解，孔指的是热接收器的外壳的横过生成空气帘的开口的孔平面。
空气射嘴505相对于孔509的角位移可以由角度控制装置503调节。应该理解，可以存在多个角度控制装置。角度控制装置控制空气帘源头处的角度，即，相对于接收器的孔的源角度。其还可以控制空气帘或者空气射嘴/喷嘴角度或者空气相对于接收器的孔从喷嘴发出的方向。可以通过空气射嘴或空气射流喷嘴或外壳成角度地调节空气射嘴，以使得空气帘相对于孔509以源角度θ导引。应该理解，角度θ可以是正值或者负值，以使得空气帘被朝向或者被远离热接收器(因此，朝向或者远离孔)导引。角度控制装置503可以是机动装置，其例如根据系统控制器501产生的控制信号旋转空气射嘴505。也可以想到其他合适的角位移装置。
对于源角度调节的附加或者备选，可以根据系统的要求调节或配置空气射嘴相对于孔的位置。如图5中所示，空气射嘴可以布置成从垂直定位在接收器孔上方的位置导引空气帘。进一步地，可以调节空气射嘴的水平定位，以使得空气射嘴的喷嘴产生与热接收器的孔509平行且共面的空气帘。备选地，可以将水平定位偏置一值Δx，以使得空气射嘴的喷嘴产生与热接收器的孔509平行且不共面的空气帘。空气射嘴沿着水平轴的定位可以固定，或者可以通过手动或者任何合适的装置调节。例如，可以通过系统控制器501调节空气射嘴的水平位置，系统控制器501输出控制信号以移动空气射嘴505位于其上的水平支撑件。也可以想出其他合适的水平位移装置。
应该理解，空气帘的源头(即，空气射嘴)及空气从空气射嘴发出的方向可以调节。例如，空气帘源头可以垂直定位在孔上方。进一步地，空气帘源头可以沿着x轴定位在任何地方(其中，孔平面是y轴)，并且远离或朝向孔平面的角方向可以调节。此外，空气帘源头可以定位在孔平面的上点(upper point)和下点(lower point)之间，并且以任何角度朝向孔。
空气流发生器516(例如，风扇)经由空气流控制装置517向空气射嘴505提供空气，该空气流控制装置517控制空气流流出空气射嘴的速度。应该理解，空气流控制装置517和空气流发生器516可以是组合两个功能的单个装置。空气流发生器产生的空气运动沿着适当的管道传递到空气流控制装置，并且经由其他合适的空气管道传递到空气射嘴505。
一个或多个压力传感器(519A和519B)可以定位在接收器腔中、附近或周围，以测量这些位置中的空气压力。进一步地，一个或多个温度传感器521可以定位在接收器腔中，以测量接收器腔中的温度。此外，一个或多个环境风传感器523可以定位在接收器腔外部，以测量环境风变量，例如，温度、方向和速率。这些传感器(519A、519B、521、523)中的每个均与系统控制器501通信，以将感测的读数发送到控制器501。
系统控制器501布置成控制空气流控制装置517和角度控制装置503以产生空气帘，并因而将接收器孔与在接收器孔外的环境元件隔离。
系统控制器501可以布置成通过基于预定算法控制空气流的速度和空气帘的角度中的一个或多个，而控制空气流控制装置517和角度控制装置503。预定算法可以存储在与控制器501通信的存储模块502中。
可以基于接收器腔中的检测温度、接收器孔的检测倾角、一个或多个计算流体动力学模块、一个或多个测量的性能特征和基本流动物理学中的一个或多个配置或调节预定算法。
系统控制器存储器502还可以在这里包括查找表。查找表可以由系统控制器使用，以基于接收器孔的倾角调节空气流的速度和空气帘的源角度中的一个或多个。作为备选，可以使用相关方程、多项式表达式或任何其他合适的技术。
系统控制器501可以布置成基于一个或多个输入信号控制空气流控制装置517和角度控制装置503。输入信号可以是例如接收器孔的倾角、太阳能热接收器的接收器腔中的问题、与接收器孔有关的空气帘的角度、流出空气射嘴的空气的速度、环境风速度、环境风方向、环境风温度和太阳位置中的一个或多个。
可以通过倾角模块525检测接收器孔的倾角并将其发送给系统控制器501。倾角模块可以检测太阳能热接收器的倾角的角度。进一步地，倾角模块525还可以调节太阳能热接收器的倾角。
可以通过热接收器的腔中的温度计检测太阳能热接收器的接收器腔中的温度，并将其发送给系统控制器。
可以通过角度控制装置确定空气帘相对于接收器孔的角度，并将其发送给系统控制器。
可以通过空气流控制装置确定空气流流出空气射嘴的速度，并将其发送给系统控制器。
可以通过定位在太阳能热接收器孔外部的合适的风测量装置检测环境风速度、风方向和风温度。
如图5中所示，系统还可以包括一个或多个空气抽取装置513，其用于将空气抽出太阳能热接收器。进一步地，系统可以包括用于将空气喷射到太阳能热接收器中的一个或多个空气喷射装置515。应该理解，系统可以包括空气抽取和喷射装置。这些空气抽取和喷射装置可以与控制器通信以从系统控制器501接收控制信号，系统控制器501控制从热接收器腔511抽取出多少空气或者喷射进热接收器511多少空气。这些空气抽取和喷射装置的调节可以调节空气流的轮廓，以调节隔离多少接收器孔。进一步地，空气抽取装置513和空气喷射装置515可以连接在一起，以使空气能够被抽取出以喷射。例如，空气可以经由热交换器从空气抽取装置流到空气喷射装置。
因此，通常，本文描述的系统产生受控的空气流，其被导引以部分地抑制对流流动，要不然对流流动会将热能量从聚集的太阳能热接收器中的高温集热表面去除掉。集热表面可以在外壳中下凹一些度数，例如，图5或图6或图7的腔511。
如以上所解释的，可以结合从留在外壳中的体积抽取空气或将空气喷射到留在外壳中的体积产生和控制空气帘。系统可以帮助抑制接收器的热损耗，该接收器在操作期间要么固定在空间中要么以各种角度倾斜，和/或暴露于环境风和湍流下。对流热损耗的最佳抑制可以通过控制系统获得，该控制系统可以调节空气帘的速度、空气帘相对于孔平面(即，加热的接收器表面通过其暴露于环境条件下的孔平面)的角度以及从外壳中抽取(或者喷射进)的空气的速率。
图6示出了腔式接收器型配置的垂直截面，图7示出了塔式接收器型几何结构的垂直截面。应该理解，可以根据本文公开使用其他类型的配置或几何结构。还应该理解，不要求图7中所示的接收器如所示的那样垂直定位以便与其有效操作，并且可以使用任何合适范围的倾角角度。
集热表面(601和701)由包含工作流体的管构成。在每个系统中，提供接收器外壳(602和702)。提供空气射流喷嘴(603和703)以在外壳的孔平面(604和704)上导引空气。空气的单个射流(605和705)排出空气射流喷嘴。示出了空气帘的初始平面(606和706)。在一个可能位置示出的抽取阀(607和707)可以用于从接收器外壳抽取空气。在一个可能位置示出的喷射阀(608和708)可以用于将空气喷射到接收器外壳中，针对腔式接收器型配置，示出了腔倾角轴609。在这些实例中的每个中，进入的太阳能辐射(610和710)被导引并聚焦到接收器的腔(611和711)中，以加热集热表面(601和701)。空气射嘴(603和703)和喷射和/或抽取阀(608、708和610、710)之一或二者的组合由系统控制器501控制，系统控制器501控制空气射嘴的速度和角度以及空气抽取和喷射的速度。这些部件中的一个或多个的调节可以基于如本文所述那样接收的输入变量进行。应该理解，空气抽取(608、708)、空气喷射(607、707)和空气射嘴(603、703)的任何组合可以根据控制系统的最佳性能设置及时地用在任何地方。
图8示出了空气射嘴模块801的实例，其可以用于图6和图7所示的接收器单元中的任一个。空气射嘴模块801包括用于产生空气帘805的单个空气射嘴803。空气流控制装置517还可以形成空气射嘴803的一部分，或者可以与空气射嘴803分离但流体连通。空气流发生器516还可以是空气射嘴803的一部分，或者与外壳分离但与空气流控制装置517流体连通。如较早所述，空气流发生器和空气流控制装置可以组合成一个单元。
可以使用角度控制装置503调节空气帘805的角度。也就是说，整个空气射嘴801可以移动，以调节空气帘805的角度，或者可以调节空气射嘴801中的喷嘴。应该理解，可以使用其他备选的机制来调节或控制空气帘的角度。例如，通过将两个空气射流彼此靠近定位(其中空气射流以不同速度操作)，可以使用两个射流的差速来控制组合的空气射流的角度。作为另一个例子，可以将另一个空气射流导引到空气帘，其中该空气射流被垂直于(或者以任何其他合适的角度)主空气帘导引，以增加横向动量。
参照图9A-9D，提供了从射流喷嘴孔口看去的空气射流喷嘴的各种配置。
应该理解，其他配置也是可能的，例如，使用格子或网状喷嘴作为空气射嘴的出口。
产生的空气帘是空气的连续且近乎平面的湍流射流，其通过使空气流排出单个线式矩形喷嘴或一系列密集的喷嘴而形成。喷嘴可以是例如圆形的或矩形的。例如，如图9A中所示，空气射流喷嘴801可以是如图8中所示的单个直线式喷嘴。
可以使用单独的射嘴的很多详细的几何布置，例如，可以提供均匀分布的单独的射嘴的线式或曲折式布置。
可以如图9B中所示，提供一系列直线式喷嘴901。在该实例中，提供了四个单独的均匀分布的直线式空气射嘴(或喷嘴)。
可以如图9C中所示，在每个空气射嘴903中提供一系列密集的圆形喷嘴905。
可以如图9D中所示，在每个空气射嘴907中提供密集的圆形喷嘴909的曲折阵列。
图10示出了来自空气射嘴模块1002的单独的空气射流1001可以如何融合，以形成与空气射流方向正交地看去平面的空气帘1003。单个空气射嘴或喷嘴之间的间距d应该足够小，以允许通过接收器孔的上边缘首先遇到的下游点使空气射流融合成连续的平面空气帘。例如，如图10中所示，这可以通过应用15倍空气射嘴(喷嘴)间距的下游距离而发生。用于空气射流的喷嘴宽度是接收器操作温度、接收器的孔尺寸和空气射流速率的函数(以下更详细描述)。例如，对于0.2m的较小接收器孔，喷嘴宽度可以在4-20mm的范围内，对于10m的大孔，可以高达0.2-1m。因此，一个或多个喷嘴(或者，随着空气离开喷嘴的空气射流)的宽度可以在4mm和1m之间。应该理解，本文所描述的技术可以按比例升高以应用于任何合适尺寸的腔式接收器。
应该理解，可以根据本文的公开使用各种配置和设置。下表提供了一些具体的实例。
下表提供了一些用于空气帘参数的宽泛的操作范围。应该注意，这些范围是基于500℃的标称操作温度(环境温度～20℃)估计的。这些宽泛的操作范围对于范围在400-700℃范围内的温度不会改变太多。
下表提供了用于根据两个不同模式操作的空气帘参数的优选的、接近最佳的操作范围的实例。
应该理解，空气射嘴(和喷嘴)布置优选地应该至少集体跨越孔的整个宽度/外围，加热的接收器表面通过该孔暴露于环境条件。
图11A-11C示出了太阳能热接收器上的空气射嘴配置的另一个实例。在图11B和11C中，空气射嘴配置成周向弧。在图11B中，空气射嘴的弧设置在圆形孔周围，如面对孔所见。在图11C中，空气射嘴的弧设置在外壳的圆周周围。应该理解，在本文所述的布置中，系统可以配置成使得空气射流的流动速率可以局部控制，即，每个单独的射流独立控制。
在图11A-11C中，空气射嘴被示出安装在轴对称的腔式接收器上。在图11A中，射流喷嘴可以安装成线形形式，或者在图11B和11C中安装成近乎半圆弧的一系列线式喷嘴模块。图11A示出了接收器外壳1101、集热管1103、射流喷嘴模块1105和近乎平面的空气帘1107。图11B示出了接收器外壳1109、集热管1111、射流喷嘴模块1113和近乎平面的空气帘1115。图11C示出了接收器外壳1119、百叶式布置的集热管1117、射流喷嘴模块1121和近乎平面的空气帘1123。
在每个情况下，空气射流喷嘴在不需要流动的径向融合的情况下产生单向的空气射流。每个空气射嘴模块(或喷嘴)相对于孔平面的角度可以由系统控制器501控制或调节。
应该理解，图11C中的空气射嘴和/或喷嘴的配置可以适于接收器外壳1119，其通过在期望的角度范围的限制下添加垂直径向壁而在水平平面中对着小于360度的角度。也可以包括垂直径向的“叶片状”壁，以将接收器再分成若干个隔室。例如，可以通过在其中包括冷却沟道和冷却介质而冷却叶片。
空气射流可以被提供有任意温度的空气。然而，作为备选，空气可以环境温度空气提供。进一步地，可以使用从腔抽取的空气提供空气射流，以使得空气处于非任意的、非环境的温度。
连续且近乎平面的射流被横过接收器孔导引，加热的接收器表面通过该孔暴露于环境条件。空气射流喷嘴的平面不需要与孔的平面一致，但是它们之间的角度(当投影到与孔正交的垂直平面上时)将典型地小于30°，以最好地抑制热损耗。空气射流的最佳角度取决于孔平面的倾角和环境条件。典型地，当射流的垂直分量或空气速率处于向下而不是向上方向时，抑制热损耗的能力提高。
空气帘控制系统可以两种不同模式操作，以控制从加热的接收器表面的热损耗。
第一模式称为“局部密封”，并且产生空气帘，该空气帘利用向下方向的分量导引，但是具有不足够以完全横过(并且“密封”)接收器孔的动量，加热的接收器表面通过该接收器孔暴露于环境条件。也就是说，系统控制器布置成以第一操作模式操作，其中空气射嘴布置成在小于接收器孔的整个部分的部分上导引空气帘。空气流控制装置、角度控制装置、空气抽取装置和空气喷射装置中的一个或多个可以基于检测的输入变量通过系统控制器来控制，以在小于接收器孔的整个部分的部分上导引空气帘。
射流喷嘴或空气射嘴可以定向在0度和20度之间、或者在5度和20度之间、或者在10度和20度之间、或者在15度和20度之间、或者在5度和15度之间、或者在10度和15度之间。可选地，射流喷嘴或空气射嘴可以根据接收器的操作条件以5度、10度、15度或20度在孔平面的任一侧(当投影到与孔正交的垂直平面上时)激活。将空气帘稍微地朝向孔导引将降低保持最佳条件所要求的射流强度。也就是说，系统控制器可以以第一操作模式操作以控制角度控制装置，所以空气帘相对于接收器孔的源角度是以上所列的与横过接收器孔上的平面呈任何值或范围的角度。因此，在局部操作模式中，向内成角的空气射流(即，朝向孔导引)仅局部横过孔。
根据一个实例，系统控制器可以以第一操作模式操作以控制角度控制装置，所以空气帘相对于接收器孔的角度基本上是与横过接收器孔的平面呈15度。系统控制器还可以布置成使用以上直接列出的其他值或范围中的任一个以第一操作模式操作。空气帘相对于接收器孔的角度要么被远离太阳能热接收器导引，要么被朝着太阳能热接收器导引。
第二模式称为“完全密封”，并且使用空气帘，该空气帘利用向下方向的分量导引，但是具有较大的动量以使得射流完全横过接收器孔，加热的接收器表面通过该接收器孔暴露于环境条件。也就是说，系统控制器布置成以第二操作模式操作，其中空气射嘴布置成在接收器孔的整个部分上导引空气帘。空气流控制装置、角度控制装置、空气抽取装置和空气喷射装置中的一个或多个可以基于检测的输入变量通过系统控制器来控制，以在接收器孔的整个部分上导引空气帘。
在该第二模式中，系统控制器控制空气射嘴和/或喷嘴，以使得当空气帘投影到与孔正交的垂直平面上时，产生的空气帘从孔平面以以下角度向外定向：在0度和20度之间、或者在5度和20度之间、或者在10度和20度之间、或者在15度和20度之间、或者在5度和15度之间、或者在10度和15度之间，以使得空气帘在横过过加热的接收器表面之后恰好返回到孔表面。也就是说，系统控制器可以以第二操作模式操作以控制角度控制装置，以使得空气帘相对于接收器孔的源角度是以上直接所列的与横过接收器孔的平面呈的任何值或范围并且被远离太阳能热接收器导引。也就是说，根据一个实例，系统控制器可以布置成以第二操作模式操作以控制角度控制装置，以使得空气帘相对于接收器孔的角度在与横过接收器孔的平面呈的5度和15度之间并且被远离太阳能热接收器导引。系统控制器还可以配置成使用以上直接所列的任何其他值或范围以第二操作模式操作。
图12A和12B示出了用于热接收器1201的在其腔1203中的、由于以局部操作模式操作的系统控制器501而导致的温度变化。在该局部模式中，空气帘1205仅局部覆盖了接收器1201的孔1207的上部分。图12A示出了处于大约30度的第一倾角的接收器，其中空气从空气射嘴发出的速率为0.8m/s。图12B示出了处于大约60度的第二倾角的接收器，其中，空气从空气射嘴发出的速率为0.4m/s。图12A和图12B示出了射嘴宽度为5mm，且孔高度为70mm的结果。
太阳能接收器中达到的温度典型地在400-900℃的区域内，将加热的空气的密度降低到低于环境大气条件50和25％之间。横过空气帘的密度差在该系统的操作动力学中起到了很大作用。
在局部密封模式中，空气帘从接收器外壳的腔1203卷吸足够量的热空气，浮力对空气帘1205作用以克服其初始动量，将空气帘1205远离孔平面1207偏斜。该行为可以在图12A和12B中看到，其中因为空气帘像个垂直壁一样作用以降低孔的尺寸，所以在该局部密封模式中对流损耗被抑制，加热的接收器表面通过所述孔暴露于环境温度。
处于给定倾角角度的最有效的空气帘强度对应于最大停滞区域和对流热损耗的降低(对于在15度和60度之间的倾角角度的范围，降低大约40％)。图12A和12B表明随着腔倾角增加，密封效果可能变得对腔性能有害，并且可能要求空气帘速率降低以保持有效操作。
图13A和13B示出了热接收器1301的在其腔1303中的、由于以完全密封模式操作的系统控制器501而导致的温度变化。在该完全密封模式中，空气帘1305完全覆盖了接收器1301的孔1307。图13A示出了处于大约30度的第一倾角的接收器，其中远离孔指向的空气射流处于10度的角度，并且其中空气从空气射嘴发出的速率为2m/s。图13B示出了处于大约45度的第二倾角的接收器，其中远离孔指向的空气射流处于10度的角度，并且其中空气从空气射嘴发出的速率为1.5m/s。
在完全密封模式中，空气帘1305作用在于将容纳加热的接收器表面的体积与环境条件大部分隔离。空气射嘴(或喷嘴)产生的空气帘的初始动量不会受到卷吸到空气帘中的热空气的浮力显著影响。如图13A和13B所示，该密封模式通过降低外壳中的相对于环境的压力、将空气帘拉回到孔平面1307而工作。
局部和完全密封模式都可以在宽范围的孔倾角内操作，典型地提供相似的对流损耗的降低。最佳的局部密封典型地可以在初始射流角度和速度的范围内获得；对于完全密封，该范围的最佳操作条件是非常窄的，并且要求较高的初始射流速率。
参照[0089]和[0090]段中的表格，可以使用抗弯曲性模量(Deflection Modulus)(其已经形成了建筑物通风装置的区域中的工作基础)D＝ρabu2/g(ρa-ρr)H2进行射流的所要求的操作条件的粗略评估，其中ρa和ρr分别是环境空气和加热的表面温度处的空气的密度，b和u分别是空气帘的宽度和速度，其中空气帘变为连续层，g是重力加速度，H是容纳加热的接收器表面的截面的孔的尺寸。例如，以大约500℃操作并且具有距加热的表面约1m的孔尺寸的接收器可以用线式空气帘遮蔽，该线式空气帘由喷嘴(或空气射嘴)宽度0.07m和空气速度处于1.2-28m/s范围内的射流产生。应该理解，来自空气射嘴/喷嘴的空气的速度可以是基于孔平面的定向。以相同温度操作的约10m的大的垂直接收器表面可以由线式空气帘遮蔽，该线式空气帘具有喷嘴(或空气射嘴)宽度0.7m以及出于4-90m/s范围内的射流或空气速度。应该理解，其他射流宽度和空气速度范围也可以适于本文公开。
也就是说，系统控制器可以布置成控制空气流控制装置，以使得空气流流出空气射嘴的速度处于1和90m/s之间。可选地，系统控制器可以布置成控制空气流控制装置，以使得空气流流出空气射嘴的速度处于2和7m/s之间。作为另一选项，系统控制器可以布置成控制空气流装置，以使得空气流流出空气射嘴的速度处于7和20m/s之间。备选地，系统控制器可以布置成控制空气流控制装置，以使得空气流流出空气射嘴的速度处于本文所公开的其他范围内。
空气帘可以用于阻隔加热的接收器表面处的与环境风的对流热损耗。每个密封模式的最佳操作条件可以通过系统控制器基于环境风的强度及其方向中的一个或多个修改。环境风可以包括围绕接收器的大范围的压力分布。对于某些风方向，这将导致压力降低或者抽吸效果，压力降低或者抽吸效果将倾向于增加来自接收器表面的局部对流损耗。表面被空气帘的有效遮蔽依赖于在加热表面附近引起相似的压力降，并且这可以由无量纲参数ρaU2/(pa-pr)表征，其中U是风速率，pa-pr是环境空气和接收器内的给定高度的空气的最大压力差。通常，有效遮蔽对于高达大约射流速度的40％的风速是可能的，并且可能更多地取决于风方向相对于接收器的定向。
此外，可以通过使用空气抽取装置513和空气喷射装置515从包围加热的接收器表面的外壳抽吸空气(和/或将空气喷射到该外壳中)来辅助这两个模式的操作。从包围加热的吸收器表面的外壳抽吸或喷射可以与以上特征结合使用，以增强空气帘的效能。空气抽吸或喷射的处理修改外壳中的压力分布，并且因而修改作用在空气帘上的力。其可以用来降低完全或局部密封模式中所要求的射流速率，并且可以增加空气帘对于环境温度的稳健性。
接收器外壳511内部的压力分布强烈地影响形成空气帘的空气射流的表现。应该理解，除了喷射和抽取装置(515和513)以及孔509之外，外壳可以被密封。在完全密封模式中，空气帘的作用在于将接收器内部与在接收器腔外部的环境条件至少部分隔离开。腔的很多内部处于比外部压力稍微低些的压力下。这产生了抽吸效果，其保持横过孔的空气帘密封。该抽吸效果也意味着射流湍流足够强到卷吸仅在空气帘的上部(大约20％)中的热空气。对接收器外壳的空气的喷射/抽吸提供了控制空气帘密封的显著能力。这允许以降低的射流速率操作的密封模式。接收器腔还被与环境风条件隔开。根据一个实例，一个或多个泵可以耦接到抽吸、喷射点或端口。该泵可以提供超压或抽吸，以产生可与最大的额定风速比拟的压力变化。
作为另一实例，腔外部的外部压力可以轻敲接收器外壳。这可以直接进行，或者经由控制系统进行。例如，控制系统可以在外壳中选择轻敲连接的高度。根据一个实例，最合适的轻敲可以是靠近且平行于孔平面的表面。备选地，轻敲可以连接到充当烟囱的“堆叠”。这种布置可以用来有效地均衡环境压力和接收器外壳中的压力，自动地补偿很多抽吸和环境风导致的超压效应。应该理解，这种轻敲不一定要求保持喷射和/或抽吸的比率。
空气帘可以从有源控制系统驱动，该有源控制系统可以响应于操作条件来保持对对流热损耗的最佳抑制。对控制系统的主要输入是孔平面的角度(对于移动的太阳跟踪接收器)、接收器操作温度和环境风强度和方向。控制系统可以调节从喷嘴或空气射嘴推动的空气的速度、空气射嘴或喷嘴产生的空气帘与孔平面产生的角度、以及从外壳抽吸或者喷射到外壳中的比率。
适当的空气射嘴/喷嘴参数将可以由预定的算法基于使用基本流动物理学(先前进行)的预测、使用计算流体动力学(CFD)模型的模拟和测量的性能特征的组合来设置。
图14示出了用于空气帘角度和速度的两种操作模式的效能。根据该特定实例，腔以45度倾斜。应该理解，可以使用其他倾角。
在图14A中可以看出，对于局部密封的操作模式(1401)，存在增加的效能，其中射流速度被设置在0.5m/s和1m/s之间，或者可选地，在0.6m/s和0.9m/s之间。为了增加效能，空气帘的角度可以被远离接收器在0和10度之间导引，或者被朝着接收器在0和10度之间导引。可选地，空气帘可以被远离接收器在0和8度之间导引，或者被朝着接收器在0和8度之间导引。
可以看出，对于完全密封的操作模式(1401)，存在增加的效能，其中射流速度被设置在1m/s和1.5m/s之间，或者可选地，在1.1m/s和1.3m/s之间。为了增加效能，空气帘的角度可以被远离接收器在5和15度之间导引可选地，空气帘可以被远离接收器在8和11度之间导引。
图14B-14E示出了用于两种操作模式的、作为离开空气射嘴的空气速度和腔倾角的函数的效能的等值线图。图14B示出了0度的腔倾角，图14C示出了15度的腔倾角，图14D示出了30度的腔倾角，而图14E示出了45度的腔倾角。
每个对于不同配置和参数产生的值可以记录在查找表中，并且由系统控制器检索和使用，以有效地控制空气帘系统。应该理解，本发明并不受限于这些具体实例，进一步设置的参数也可以基于空气帘系统的进一步建模和测试而添加到查找表中，例如，以不同比例。
应该理解，这些角度和速率值可以调节，以配合测量的环境风效果。例如，随着环境风朝着接收器的腔导引，压力场迫使空气帘朝着孔平面偏斜。远离接收器导引的空气帘的角度可以与空气射嘴速率一起增加，以帮助对抗该效果并因而遮蔽接收器腔。还可以通过空气喷射515将压力施加到接收器腔。进一步地，环境风将倾向于围绕接收器或者附近结构而加速，并且相关联的压力场复杂起来。作为另一实例，为了在接收器暴露于与流动的加速相关联的局部压力降(例如，围绕塔式接收器的侧翼)情况下定向，空气帘将倾向于被从孔平面拉拽出。远离接收器导引的空气帘的角度可以与空气射嘴速率一起增加，以帮助对抗该效果。还可以通过空气抽取装置513而将抽吸施加到接收器腔。因此，位于接收器腔中、附近或周围的一个或多个压力传感器可以提供对系统控制器501的压力测量。应该理解，作为备选，系统控制器可以是机械控制器，其将空气帘控制在受限范围。例如，风动力喷射器可以对加压的充气室施加控制，导致空气帘射流。
应该理解，术语孔还可以解释成包括表面的局部区域，其中太阳能热接收器是诸如太阳能塔式接收器的通用形式。
应该理解，控制系统可以配置成独立地控制一个或多个空气射嘴。例如，系统可以配置成使得一个或多个空气射嘴与它们自己的空气流发生器516和/或空气流控制装置517相关联。
应该理解，角度控制装置可以是无源装置，其不受系统控制器控制，但是相反地固定在静止位置以产生如本文所述的有效地密封或者局部密封腔的空气帘。
工业实用性
所描述的布置可应用于太阳能热能产业。
前面仅描述了本发明的一些实施方式，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行修改和/或改变，实施方式是说明性的并不是局限性的。
在本说明书的上下文中，词汇“包括”意指“主要地而非必定单独地包括”或者“具有”或者“包含”，但并非意指“仅由……构成”。词汇“包括”的变型(例如，“囊括”和“包罗”)具有对应变化的意思。

Claims (46)

1.一种用于太阳能热接收器的空气帘控制系统，包括：
至少一个空气射嘴，其布置成在太阳能热接收器的接收器孔的至少一部分上产生空气帘，
空气流控制装置，其用于控制流出空气射嘴的空气流的速度，
至少一个角度控制装置，其用于控制空气帘相对于接收器孔的角度，以及
系统控制器，其布置成控制空气流控制装置以使接收器孔与接收器孔外部的环境元素隔离。
2.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器布置成控制角度控制装置以使接收器孔与接收器孔外部的环境元素隔离。
3.根据权利要求2所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器布置成通过基于预定算法控制空气流的速度和空气帘的角度中的一个或多个而控制空气流控制装置和角度控制装置。
4.根据权利要求3所述的空气帘控制系统，其中，所述预定算法基于太阳能热接收器的接收器腔的温度、接收器孔的倾角、接收器腔中、周围或附近的压力、计算流体动力学模型、测量的性能特征和基本流动物理学中一个或多个配置。
5.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，系统控制器布置成基于一个或多个输入信号控制空气流控制装置和角度控制装置，其中，一个或多个输入信号选自：接收器孔的倾角、太阳能热接收器的接收器腔中的温度、空气帘相对于接收器孔的角度、空气流流出空气射嘴的速度、环境风速度、环境风方向、环境风温度和太阳位置。
6.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器还包括具有查找表的存储器，其中，所述查找表由系统控制器使用以基于接收器孔的倾角调节空气流的速度和空气帘的角度中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，所述至少一个空气射嘴布置成从垂直位于接收器孔上方的位置导引空气帘。
8.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器布置成以第一模式操作，在该第一模式中，至少一个空气射嘴布置成在小于接收器孔的整个部分的部分上导引空气帘。
9.根据权利要求8所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器布置成以第一模式操作，并且所述角度控制装置由系统控制器控制，因此空气帘相对于接收器孔的源角度高达与横过接收器孔的平面呈20度。
10.根据权利要求8所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器布置成以第一模式操作，并且所述角度控制装置由系统控制器控制，因此空气帘相对于接收器孔的角度为与横过接收器孔的平面呈10度和20度之间的角度。
11.根据权利要求9或10所述的空气帘控制系统，其中，空气帘相对于接收器孔的角度被远离太阳能热接收器导引或者被朝着太阳能热接收器导引。
12.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器布置成以第二模式操作，在该第二模式中，至少一个空气射嘴布置成在接收器孔的整个部分上导引空气帘。
13.根据权利要求12所述的空气帘控制系统，其中，所述系统控制器布置成以第二模式操作，并且所述角度控制装置由系统控制器控制，因此空气帘相对于接收器孔的角度为与横过接收器孔的平面呈0度和20度之间的角度，并且被远离太阳能热接收器导引。
14.根据权利要求13所述的空气帘控制系统，其中，所述角度控制装置由系统控制器控制，以使得空气帘相对于接收器孔的角度为与横过接收器孔的平面呈5度和15度之间的角度，并且被远离太阳能热接收器导引。
15.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，还包括用于将空气抽出太阳能热接收器的空气抽取装置。
16.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，还包括用于将空气喷射到太阳能热接收器中的空气喷射装置。
17.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，还包括用于将空气抽出太阳能热接收器的空气抽取装置以及用于将空气喷射到太阳能热接收器的空气喷射装置。
18.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，还包括用于从空气射嘴产生空气流的空气流发生器。
19.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，系统控制器布置成控制空气流控制装置，以使得空气流流出空气射嘴的速度在1和27m/s之间。
20.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，包括单个空气射嘴，所述单个空气射嘴布置成在接收器孔的至少一部分上产生连续的平面空气帘。
21.根据权利要求20所述的空气帘控制系统，其中，所述空气射嘴由单个矩形喷嘴组成。
22.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，包括多个空气射嘴，所述多个空气射嘴布置成在接收器孔的至少一部分上产生连续的平面空气帘。
23.根据权利要求22所述的空气帘控制系统，其中，所述空气射嘴由一系列线形布置的矩形喷嘴组成。
24.根据权利要求22所述的空气帘控制系统，其中，所述空气射嘴由一系列线形布置的圆形喷嘴组成。
25.根据权利要求22所述的空气帘控制系统，其中，所述空气射嘴由一系列以曲折方式布置的圆形喷嘴组成。
26.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，其中，所述一个或多个空气射嘴具有宽度在5mm和100mm之间的喷嘴。
27.根据权利要求1所述的空气帘控制系统，还包括具有接收器孔的太阳能热接收器。
28.一种用于太阳能热接收器的空气帘控制方法，包括以下步骤：
在太阳能热接收器的接收器孔的至少一部分上从至少一个空气射嘴产生空气帘，
控制流出空气射嘴的空气流的速度，
控制至少一个空气射嘴相对于接收器孔的角度，其中，控制空气流的速度和空气帘的角度以使接收器孔与接收器孔外部的环境元素隔离。
29.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括基于预定算法控制空气流的速度和空气帘的角度中的一个或多个的步骤。
30.根据权利要求29所述的空气帘控制方法，其中，所述预定算法基于太阳能热接收器的接收器腔的温度、接收器孔的倾角、计算流体动力学模型、测量的性能特征和基本流动物理学中一个或多个配置。
31.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，其中，空气流的速度和空气帘的角度基于一个或多个输入信号控制，其中，一个或多个输入信号选自：接收器孔的倾角、太阳能热接收器的接收器腔中的温度、接收器腔中、周围或附近的压力、空气帘相对于接收器孔的角度、空气流流出空气射嘴的速度、环境风速度、环境风方向、环境风温度和太阳位置。
32.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括使用查找表来基于接收器孔的倾角调节空气流的速度和空气帘的角度中的一个或多个的步骤。
33.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括从垂直位于接收器孔上方的位置导引空气帘的步骤。
34.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括以第一模式操作的步骤，在该第一模式中，至少一个空气射嘴布置成在小于接收器孔的整个部分的部分上导引空气帘。
35.根据权利要求34所述的空气帘控制方法，其中，空气帘相对于接收器孔的源角度高达与横过接收器孔的平面呈20度。
36.根据权利要求35所述的空气帘控制方法，其中，空气帘相对于接收器孔的源角度为与横过接收器孔的平面呈10度和20度之间的角度。
37.根据权利要求35或36所述的空气帘控制方法，其中，空气帘被相对于接收器孔的源角度被远离太阳能热接收器导引或者被朝着太阳能热接收器导引。
38.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括以第二模式操作的步骤，在该第二模式中，至少一个空气射嘴布置成在接收器孔的整个部分上导引空气帘。
39.根据权利要求38所述的空气帘控制方法，其中，空气帘相对于接收器孔的源角度为与横过接收器孔的平面呈0度和20度之间的角度，并且被远离太阳能热接收器导引。
40.根据权利要求39所述的空气帘控制方法，其中，空气帘相对于接收器孔的源角度为与横过接收器孔的平面呈5度和15度之间的角度，并且被远离太阳能热接收器导引。
41.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括将空气抽出太阳能热接收器的步骤。
42.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括将空气喷射到太阳能热接收器中的步骤。
43.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括将空气抽出太阳能热接收器以及将空气喷射到太阳能热接收器的步骤。
44.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括控制流出空气射嘴的空气流的速度在1和27m/s之间的步骤。
45.根据权利要求28所述的空气帘控制方法，还包括在接收器孔的至少一部分上产生连续的平面空气帘的步骤。
46.一种太阳能热接收器，包括在太阳能热接收器的接收器孔的至少一部分上产生空气帘的至少一个空气射嘴、用于将空气抽出接收器孔的空气抽取装置以及用于将空气喷射到接收器孔中的空气喷射装置。
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