CN1077017A - 中心太阳能接收器 - Google Patents

Abstract

一种中心太阳能接收器，包括：一个带窗口的壳 体，该窗口用作入射集聚的太阳辐射的入口；一个在 壳里的容积式太阳能吸收器，吸收器有支承着一排相 互隔开的吸收元件的一基体，在元件的一个表面上有 自由端朝向窗口的凸起物；用于将工作流体喷入容积 式太阳能吸收器的装置，工作流体沿贯穿吸收元件的 方向流动；用于抽出已受热的工作流体的装置。中心 太阳能接收器的窗口是一筒式截锥形体，与壳体同 轴，因此，该接收器适于在高压下工作。

Description

本发明涉及具有容积式（Volumetric）太阳能吸收器的中心太阳能接收器。

一种太阳能接收器吸收了高温下集聚的太阳光，该温度约为700℃～1300℃，它将来自太阳能吸收器的热能传递给工作流体，该工作流体不是作为载热流体，就是用来完成由热引起的可催化的、在工作流体的组分之间发生的吸热化学反应。为了工业上的多种应用，如驱动产生电能的透平机或执行上述种类的吸热反应，工作流体需要处于高压下，如处于10-30个大气压下的系统中循环。在该压强下，循环气体的密度远大于不加压状态下的气体密度，因此在循环过程中，压力损失较小。

一种带容积式吸收器的直接受照射的中心太阳能接收器，有一个带窗的壳，该窗用作集聚的太阳辐射的入射口，由受压的中心太阳能接收器带来的严重问题之一是接收器窗的机械强度问题：要求具有光学和热性能的材料趋于变脆，这意味着，上述材料在经受大的压力时趋于破裂或分裂，甚至于在较小的拉应力作用下也会破裂。作用于窗口的压力是由接收器内部的气体压力产生的，也是由窗口或其它接收器零件在工作状态下受热膨胀不平衡所产生的。结果在一个中心太阳能接收器的任何一个窗口的不同点上存在不均匀的应力，致使中心太阳能接受器不能在高压下工作。

在以色列IL97091和依照USSN07/820418和EP495395A1和其它国家的专利申请中，阐述了一个改进的中心太阳能接收器，包括一个带有窗口的室，窗口作为集聚的太阳辐射的入口，所述的室中装有一个太阳能吸收器，它具有带一组吸收元件的基体上，这些吸收元件相互分开布置，且其自由端朝向窗口地从基体的一个面上向外凸起，让工作流体射入容积式太阳能吸收器，它们贯穿所述的吸收元件流动。

本发明的目的是提供一种以我们IL97091申请为基础的，并能在高压下工作的太阳能接收器。

本发明的另一个目的是提供一个窗口单元，适用于在高压下工作的中心太阳能接收器的壳体里。

本发明还有一个目的是提供一种容积式太阳能吸收器，适于装配在上述高压下工作的中心太阳能接收器里。

本发明提供了一种中心太阳能接收器，它包括有一个带窗口的筒形壳体，该窗口用作集聚射入的阳光入口;在壳里有一个容积式太阳能吸收器，吸收器具有一个基体，其上支承着一排相间设置的吸收元件，这些元件以其自由端对着窗口地从基体的一个表面向外凸出;用于将工作流体射入容积式太阳能吸收器的装置，工作流体的流动方向与吸收元件相交;以及排出已加热的工作流体的装置;其特征在于：所述的筒形容积式太阳能吸收器是一个轴对称的筒形体，吸收器元件在其中向着轴线凸起，筒形容积式太阳能吸收器与筒形壳同轴并具有辐射入口;所述的窗口是一个轴对称筒形截锥体，并由与其共轴的容积式太阳能吸收器环绕;因而使所述的中心太阳能接收器适于在高压下工作。

由于所述窗口的截锥形状，使其能够真正承受的住作用于本发明的中心太阳能接收器壳内的任何压力所产生的压力分量。

所述的截锥体最好包括在其两端设置的圆柱形环，利用所述的环可以安装和固定所述的窗。

本发明中心太阳能接收器的截锥形窗口可按需要制成双层的。

在本发明的中心太阳能接收器中，筒式截锥形窗口具有大直径接和小直径的端部，制造者在其上制造了辐射入口，该口处于壳端壁之一上的配合口内，后者是窗口的后端。最好所述的窗口的后端通过一个波纹管装置与所述的接收器的壳体相连，所述的波纹管吸收任何窗口相对于壳体的运动，在窗口上不产生附加的蒸汽压力。

在本发明的一个实施例中，在靠近截锥筒形窗口小直径的一端设有一个反射部件，用于反射任何在穿过窗口时没被聚焦的入射的太阳辐射。

本发明的中心太阳能接收器里的筒形轴对称容积式太阳能吸收器可以是任何适当的形状，例如：多面体-棱形的，圆柱形的，截锥形的，抛物体形的，椭圆形状的等等。

在本发明的一个中心太阳能接收器的优选实施例中，设有以带压的工作流体清扫所述窗口内表面的装置，并以此冷却窗口。

最好还提供一种用外界空气清扫所述窗口外表面的装置，以此清洁窗口，并使其进一步冷却。

本发明还提供了一种用于上述中心太阳能接收器中的轴对称的容积式吸收器，其上设有从其内表面向外凸起的吸收元件。

还有，本发明又提供了用来与中心太阳能接收器接合的、一个适于作窗口的轴对称截锥筒形透明件。所述的截锥筒形透明件最好在其两端设有圆柱环形部件。本发明中心太阳能吸收器中的窗口由具有光学和热性质的普通材料制成，如用熔凝石英。

为了便于理解，参考附图，给出本发明的一个特殊实施例，该实施例仅作为一个举例。

图1是按本发明的一个中心太阳能吸收器轴向剖视图。

图2为沿图1Ⅱ-Ⅱ线剖面图。

图3为沿图1Ⅲ-Ⅲ线的剖面图。

图中所示的本发明中心太阳能接收器包括一个具有前端壁2和后端壁3的金属壳1，壳内衬有隔热层4。通过前端壁2的中心圆孔5，插入截锥筒形窗口6，它用于接收太阳辐射，而且经得住高压。在靠近窗口6的大直径端，设有一个圆柱形环7;在靠近窗口6的小直径端，设有一个圆柱形环8。通过环7将窗口6安装在前端壁2上，在装配处该端壁2上有一个装于适当形状沟槽中的密封件9和一个O型定位环10。

在窗口6窄端附近，设有一个金属（如铝）块12，块上设有一个中空部分13。该部分包括一个圆柱形部分14和经精抛光的反射部分15。利用窗口6上的环8将窗口装在块12中，安装部分由设置于块12中适当形状沟槽内的密封件6和定位环17组成。

将块12固定在隔热衬套18内，并使其与波纹管19的一端相连。波纹管的另一端支承于后端壁3的中心密封板20上。带连接件22的管21和带连接件24的同轴套筒23，分别用于使冷却水进入块12的中空部分13的内部，并使其由此排出，以此对块12的反射部分15进行冷却。

块12和密封板20分别具有多个空气通孔26和27。这些孔和环绕套筒23的圆柱形导管28一起构成一条通道，气流经此通道从窗口6的内部空间流向壳1之后。

在壳1的里面装有一个由截锥形基体31构成的容积式太阳能吸收器30。一系列长尖状的吸收元件32从基体31的内表面向外凸出，并支承在其上。基体31和吸收元件32均由适当的耐热材料制成，例如用陶瓷材料、涂覆陶瓷的金属合金、碳化硅、氧化铝、特种不锈钢、镍合金或类似材料。在中心太阳能吸收器30中，对处于完成在工作流体的组分之间由热引起的吸热化学反应的部位上的吸收元件32用适当的催化剂涂覆。

在容积式太阳能吸收器大直径端附近装有带孔的金属环33，该环用于将工作流体从环状通道34射入吸收器，从而使流体与吸收元件32相交。

在容积式吸收器30的后面及支承其小直径的一端，设有一个环形腔室35，该腔室具有入口49和筒形出口36并由一层隔热材料层37包围，该层延伸到容积式太阳能吸收器30的后端。

在后端壁3附近的区域中，于壳1上装有许多对轴向输入管38′和38″，它们与一个循环管路（图未示）相连接，每根管38′通到一个后部的、环形或圆柱形的导管39，每根管38″通到一个通向环形通道34的圆柱形导管40。导管39和40被一个环形部件41隔开，因而通过管38′和38″射入的工作流体分别被导入一个环形喷嘴42和一个环形导管34，该环形喷嘴42朝向窗口6的后端，流体通过喷射器33从环形导管34喷入容积式太阳能吸收器30。

如果需要，可用轴向设置的隔离件将环形管40分成两条或多条分开的通道，每条通道为一个筒形段，且为每个通道装设一根单独的输入管。也可以用一个螺旋形的部件将环形导管分成多条环形通道。在这两种方式里都会产生不均匀的喷射，而在接收器中一定的热状态下，正希望这样。

前端壁2包括许多根与气泵装置（图未示出）相连接的导管44，这些导管通至一条环形沟槽45。这样便将空气喷入反射镜6的内室中，并沿其外表面流动，最后通过孔26、导管28和孔27排出。

本发明的中心太阳能接收器的工作过程如下：

通过截锥筒形窗口6的大直径端的开口，接收集聚的太阳辐射，部分入射的太阳辐射直接穿过窗口照射在容积式太阳能吸收器30的吸收元件32上。几乎所有没被窗口6集聚的太阳辐射照射在块12的反射部件15上，并由此穿过窗口反射于太阳能吸收器30上。这些太阳辐射共同使容积式太阳能吸收器30升温。

通过多对管38′和38″，将带压的工作流体从与管38′和38″相连的管道射入接收器。通过管38″射入的部分工作流体被导入导管40和34，再从喷射器33射入容积式太阳能吸收器30，其流动方向是使这部分流体穿过吸收元件32。

通过管38′从环形喷嘴42将带压的工作流体射入，并使其沿窗口6的内表面流动，从而对窗口6进行冷却，然后使其与通过环形喷射装置33的工作流体混合。在工作流体穿过了一排吸收元件32之后，这种视情况或者是简单地被加热，或者是作为吸热化学反应的产品的工作流体便由孔49进入环形室35，然后经出口36排出，既可以作为反应生成物，又可作为工业用热气，如用于驱动产生电能的透平机。

这种带压工作流体的射入和排出的几何分布形状（geometry）可以按具体设计需要而变化。

在工作过程中，反射器15由从管21进入，又从套管23流出的冷却水进行冷却。

在工作过程中，通过导管44连续喷入的空气扫过窗口6的外表面，从而使窗口冷却，并除去任何沉积于其外表面上的灰尘。清扫气体从孔26、导管28和孔27排出。

这样，利用从喷嘴42射入的工作气体冷却窗口的内侧，并以来自导管44的空气冷却其外侧。

由于管形窗口6的截锥形状，从内部作用于其上的压力具有平行于窗口表面的分力和由此而导致的相对垂直的分量。所以，这个窗口很适于承受增高的压力。在本发明中心太阳能接收器里该压力是由通过输入管38′和38″的带压的工作流体所产生的。

在工作过程中，任何对称的或不对称的热膨胀均由波纹管19所吸收，这样便避免了窗口或接收器的其它元件的破裂。

在技术上中，容易理解容积式太阳能吸收器30的截锥形状不是限定性的，任何其它轴对称的形状均可采用，例如圆柱形、抛物线形和椭圆形的形状或类似形状。此外，所示的吸收元件32的长尖形也不是限定性的，任何其它适当的形状均可被采用，如杆形、中空圆柱管形，截锥体形、平板形或类似形状。

本文所述的接收器的实施例是在约10Kw的能量水平下试验的。在试验期间，接收器的压力在15或25个大气压之间。最高的吸收器温度约1100℃;总辐照时间（the    total    exposuretime）约为50小时。在试验期间，没有任何接受器的元件被损坏。

术语：

在说明书及权利要求书中引用的一些术语含义如下：

太阳能吸收器-一个能吸收太阳辐射并将太阳辐射转化为热的机构或构件。

工作流体-一种与太阳能吸收器接触，通过直接或间接热交换带走热量的流体。

工作流体可以作为带走在太阳能吸收器中产生的热的热载体。另外，它可以是由两种或多种成分组成的混合物。这些成分与太阳能吸收器接触时，互相起反应，完成了称为热化学反应过程。

中心太阳能接收器-一种装置，具有带太阳能吸收器的腔室以及使工作流体进行间接或直接热交换循环的机构;如此定义是因为在工作中将其设于太阳能集热器中间，如局部区域。

容积式太阳能吸收器-一种由三维的基体所构成的太阳能吸收器，所述基体可使从中流过的工作流体与其进行直接的热交换。

接收器窗口（window）-所述的接收器壁的透明的部分，用于使高度集聚的太阳光进入接收器室内，并防止工作流体外流。

Claims (18)

1、一种中心太阳能接收器，包括一个带窗口的壳体，所述的窗口作为集聚入射的太阳辐射的入口，在壳内有一个容积式太阳能吸收器，吸收器具有支承着一排吸收元件的基体，所述吸收元件是相间设置的，并以其自由端朝向所述的窗口地从基体的一个表面向外凸起，用于将工作流体喷射入所述的容积式太阳能吸收器的装置，所述的工作流体沿与吸收元件相交的方向流动，用于排出已加热的工作流体的装置，其特征在于：容积式太阳能吸收器是一个轴对称筒形体，在筒体中吸收元件朝轴线方向凸起，筒形容积式吸收器与筒形壳体同轴，并具有一个辐射入口，所述的窗口是一个轴对称截锥体，并由所述的容积式太阳能吸收器所包围且与其同轴，因而使中心太阳能吸收器适于在高压下工作。

2、如权利要求1所述中心太阳能接收器，其特征在于所述的窗口是双层型的。

3、如权利要求1或2所述的中心太阳能接收器，其特征在于所述的筒形容积式太阳能吸收器是多面棱形的。

4、如权利要求1或2所述的中心太阳能接收器，其特征在于所述的筒形容积式太阳能吸收器是截锥形的。

5、如权利要求1或2所述的中心太阳能接收器，其特征在于所述的筒形容积式太阳能吸收器是圆柱形的。

6、如权利要求1或2所述的中心太阳能接收器，其特征在于所述的筒形容积式太阳能吸收器是抛物线形的。

7、如权利要求1或2所述的中心太阳能接收器，其特征在于所述的筒形容积式太阳能吸收器是椭圆形的。

8、如权利要求1至7任一项所述的中心太阳能接收器，其特征在于所述的窗口的后端是用波纹管结构与所述的接收器壳体相连的。

9、如权利要求1至8任一项所述的中心太阳能接收器，其特征在于还包含用带压工作流体清扫所述窗口的内表面的装置，并以此使所述的窗口冷却。

10、如权利要求1至9中任一项所述的中心太阳能接收器，其特征在于还包括用外界空气清扫所述窗口外表面的装置，以此使所述的窗口进一步冷却。

11、一种用于如权利要求1所述的中心太阳能接收器中的轴对称筒形容积式太阳能吸收器，具有向其轴线凸出的吸收元件。

12、如权利要求11所述的容积式吸收器是圆柱形的。

13、如权利要求11所述的容积式吸收器是截锥形的。

14、如权利要求11所述的容积式吸收器是抛物线形的。

15、如权利要求11所述的容积式吸收器是椭圆形的。

16、一种在如权利要求1所述的中心太阳能接收器中用作窗口的轴对称筒形截锥透明体。

17、如权利要求16所述的筒形截锥透明体包括设置于两端部圆柱形环件。

18、如权利要求16或17所述的筒形截锥体是双层的。

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