CN110574286B - 聚光太阳能光伏和光热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种混合式聚光光伏‑太阳能热(CPV/T)系统及其构件、以及在捕获和储存太阳能热能以供后续部署的同时将太阳能高效转换为电能的方法。

Description

聚光太阳能光伏和光热系统

相关申请的交叉引用

本申请要求提交于2017年2月24日的美国临时申请第62/463,333号的优先权，其全部内容以引用方式并入本文。

关于联邦资助的研究的声明

本发明是在来自能源部和高级能源研究计划局的美国政府支持下完成的，DOE批准号为ARPA-E DE-AR0000473。美国政府在本发明中拥有某些权利。

技术领域

本发明涉及在捕获和储存太阳能热能的同时将太阳能高效转换为电能的设备和方法。

背景技术

作为一种有前途的可再生能源，近年来太阳能受到了全球研究人员越来越多的关注。从光伏(PV)太阳能电池到聚光太阳能热(又称聚光太阳能发电-CSP)，已经应用了多种太阳能技术以便最有效地利用太阳作为能源。经由混合光伏和太阳能热(PV/T)系统将光电转换过程与光热转换过程结合在一起是一种有前途的方法，其最佳地利用整个太阳光谱以非常高效地发电和产生热能。可以通过如下以更加经济的方式利用PV电池(通常是系统中最昂贵的构件)：采用聚光方法以减少将给定量的太阳能转换为电能所需的PV面积，从而提高该过程的效率。

不使用聚光方法的PV/T系统产生相对较低的工作温度-通常低于100℃-并已被广泛研究。但是，聚光光伏(CPV)-太阳能热(CPV/T)系统面临许多挑战，包括需要将电池温度保持在通常低于110℃的较低水平以及辐照度不均匀。已经对CPV/T系统进行了研究，以调研各种应用和效果，诸如太阳能制冷、光谱分裂和热电转换。已经显示出PV电池可以在用于商业用途的混合CPV/T系统中充当吸热器。已经调研了具有较高的工作温度的CPV模块，以允许系统在较高的温度下工作。已经调研了辐照度和温度对CPV电池的影响，以找到CPV模块的最佳参数。在许多情况下，效率和性能受到光谱分裂效率不高或在保持电池温度较低(出于效率和可靠性目的)的同时又允许较高的热输出温度(以使热能最大化并满足较高温度应用的需求)的需求之间不匹配的限制。

本发明涉及一种混合式聚光光伏-太阳能热(CPV/T)系统和其构件、以及在捕获和储存太阳能热的同时将太阳能高效转换为电能的方法。

尽管在所附权利要求中指出了下面示出和描述的本发明的某些新颖特征，但是本发明并不旨在限于所指定的细节，因为相关领域的普通技术人员将理解，在不以任何方式脱离本发明的精神的情况下，可以对所示的本发明的形态和细节以及在其操作中进行各种省略、修改、替换和改变。除非明确指出其为“关键”或“必要”，否则本发明的任何特征都不是关键或必要的。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供了一种热接收器，该热接收器包括成形热板，所述成形热板还包括：外表面和内表面；内部腔，其中所述腔至少部分地由所述成形热板围绕；结构化通道，其可操作以接收传热流体以及使其循环；入口端口，其与所述结构化通道连接并且可操作以将所述传热流体接收到所述结构化通道中；出口端口，其与所述结构化通道连接并且可操作以从所述结构化通道排放所述传热流体；以及接收孔，其中所述接收孔可操作以允许经聚集的太阳辐射进入所述内部腔并接触所述成形热板的所述内表面。

本发明还提供了一种太阳能收集系统，其包括：太阳能聚光器，其具有焦点；光伏模块，其具有第一侧和第二侧，其中所述第一侧面向所述聚光器，以及所述第二侧背对所述聚光器，其中所述光伏模块位于所述焦点处，并且其中所述光伏模块至少部分地对红外光透明；热接收器，其中所述热接收器位于所述光伏模块的所述第二侧上；以及绝缘板，其位于所述光伏模块和所述热接收器之间，其中所述绝缘板配置成允许穿过所述光伏模块的光进入所述热接收器，并且其中所述绝缘板可操作以使所述光伏模块与所述热接收器热绝缘。

在本发明的实施例中，模块冷却系统和在系统中使用的tCPV模块是2016年3月28日提交的美国临时专利申请第62/314,230号中所公开的那些。在优选的实施例中，在系统中使用的聚光光伏设备是2015年6月29日提交的PCT申请第US15/38396号中公开的设备。这两个申请都通过引用并入本文。

附图说明

以下附图构成了本说明书的一部分并且被包括在内以进一步说明本发明的某些方面。通过参考这些附图中的一个或多个附图，结合在本文呈现的特定实施例的描述，可以更好地理解本发明。

图1示出了基于tCPV的PV/T系统的示意图。

图2示出了PV/T系统的3-D模型。

图3示出了与热接收器集成的tCPV模块的3-D横截面视图。

图4示出了tCPV模块的平面图。

图5示出了tCPV模块的横截面视图。

图6示出了热接收器的一个实施例，其通过冷却系统与tCPV模块连接。

图7示出了tCPV模块的一个实施例中的能量分布。

图8示出了形成有波纹板的热交换器的商用示例。

图9示出了结构化通道接收器(未示出波纹)内的HTF(传热流体)流动的CFD模拟。

图10示出了HTF和接收器吸收器表面温度演变(波纹未示出)的耦合热流体模拟，均匀热通量输入。

图11示出了U形弯曲的简化的接收器焊接测试2D几何形状(在吹胀之前)。

图12示出了接收器原型制造过程。

图13示出了热接收器平面图案流型材；等待波纹焊的经激光焊接的Inconel625型材。

图14示出了热接收器的成型和吹胀工具。

图15示出了热接收器加热嵌入件；如用500W筒式加热器制造。

图16示出了来自1m²盘状物的穿过PV系统后在热接收器上的热通量分布。图表示出了分布的z轴(轴向方向)投影。

图17示出了用水HTF的波纹状的水平流动情况的(a)速度和(b)温度分布。此设计的峰值内圆锥表面温度为223℃。

图18示出了(左图)USD流回路中的接收器测试；(右图)接收器压降与额定罐入口压力的关系。

图19示出了摩擦系数与雷诺数的关系：1mm扩展双缝接收器原型。雷诺数基于与波纹相邻的流道的液压直径。

图20示出了锥形波纹板接收器；内表面涂覆有Pyromark 2500涂层的Inconel625；入口直径38毫米，出口直径12毫米，长度50毫米。

图21示出了锥形接收器实验室加热测试HTF温度分布；350W筒式加热器功率。

图22示出了针对不同太阳能模拟器功率水平的锥形接收器HTF温度和提取功率。

图23示出了液氦同心vMLI罐设计；(左图)早期专利[Chamberlain，1964]；以及(右图)商用桶状杜瓦瓶。

图24示出了TES罐横截面。在vMLI(真空)区域中未示出多层绝缘。

图25示出了TES罐，其与带有外部熔化/预热罐的热流回路连接。

图26示出了TES的内部温度：热罐具有18kg硝酸盐，1.05Torr的真空压力，90分钟的储存时间。

图27示出了气动HTF泵的概念：(左图)根据HTF管道尺寸的压力要求、以及(右图)概念图。

图28示出了气动泵实验装置。

图29示出了气动泵测试数据：水流量校准。

图30示出了熔盐气动泵送的实验示意图。

图31示出了熔盐气动泵送实验装置(在安装陶瓷纤维绝缘之前)。

图32示出了A)在灯中使用的菲涅耳镜头的图像；以及B)：如何可以将镜头(顶部)划分为布置在恒定厚度平面上的多个小平面的图像。

图33示出了抛物面镜如何将平行于其光轴的所有入射辐射反射到一个焦点上的二维示意图。

图34示出了将太阳能热收集器集成到现有锅炉系统中的示意图。太阳能收集器将使用现有的供水罐、给水泵和锅炉储备器，以最小化额外的工程成本。

图35示出了该系统的一个实施例、以及如何接收带内光和带外光。

图36示出了系统随时间产生的功率。

图37示出了热接收器的替代实施例，其中接收器是具有金字塔形状以匹配正方形或矩形聚光器的焦平面(与抛物面聚光器相比)。

图38示出了图37中的接收器成形之前的实施例。

具体实施方式

本文提供了一个或多个优选实施例的详细描述。但是，应该理解，本发明可以以多种形式实施。因此，本文公开的具体细节不应解释为限制性，而是解释为权利要求的基础并且解释为教导本领域技术人员以任何适当方式采用本发明的代表性基础。

在本文中，无论在何处使用表述“例如”、“诸如”和“包括”等中的任何表述，除非另有明确说明，否则应理解为伴随表述“且没有限制”。类似地，“示例”和“示例性”等理解为非限制性。

术语“基本上”允许与描述性表述的偏离，其不会对预期目的产生负面影响。即使没有明确叙述单词“基本上”，也可以将描述性术语用术语“基本上”进行修饰。因此，例如，表述“其中杆竖直延伸”是指“其中杆基本竖直延伸”，只要精确的竖直布置对于杆执行其功能不是必需的。

术语“包含”和“包括”以及“具有”和“涉及”(以及类似地“包含”、“包括”、“具有”和“涉及”)等可互换使用并且具有相同的含义。具体地，术语中的每个术语定义成与美国专利法中常见的“包含”定义相一致，并且因此应解释为表示“至少如下”的开放术语，并且还应解释为不排除其它特征、限定、方面等。因此，例如，“涉及步骤a、b和c的过程”意味着该过程至少包括步骤a、b和c。无论在何处使用术语“一(a)”或“一(an)”，都理解为“一个或多个”，除非此种解释在上下文中是无意义的。

在一个实施例中，如图1所示，混合系统可以主要由光伏(PV)子系统110和太阳能热子系统150组成。PV子系统包含聚光器115和多结太阳能电池120，并且仅吸收具有高于太阳能电池的最低带隙的能量的入射光子(主要是UV和可见光)，以直接产生可变的电力。太阳能热子系统150包含热接收器155和HTF系统165，并且可以包括热储存系统160。太阳能热子系统150捕获具有低于最低太阳能电池带隙的能量的透射光子(主要是IR光)，并将捕获的光子转换为可调度的热能。该热能可以通过合适的热机转换为电能，或直接用于过程加热应用。混合系统分裂太阳光谱，并在两个不同的子系统中利用它。PV子系统110中的多结太阳能电池120最有效地将高能光子转换为电，因为V_oc带隙偏移(W_oc)在某种程度上与带隙无关。热系统150对入射光子能量不太敏感，并且在利用IR光子方面更有效。

基于tCPV的PV/T系统的一个实施例的具体设计可以在图2所示的3-D CAD图中看到。用黑线标记具有热接收器210的PV模块。热量通过HTF管道系统230从热接收器155传导到热能储存(TES)罐220。抛物面盘状物240将入射光聚集在透明PV和热接收器210上，从而大大增加了太阳能电池上的光照强度，提高了效率并降低了电池成本。简单、低成本且有效的基于波纹管的致动器250可以用作两轴太阳跟踪系统，以允许该系统在全天和变化的季节中接收最大的照射。

图3示出了接收器210的一个实施例的细节。tCPV模块400沿着聚光器240(见图2)的光轴直接放置在热接收器350的前面。在该实施例中，聚集的太阳光将首先由tCPV模块400吸收，其中其余光中的大部分光穿过模块并到达热接收器350。

实验性

热接收器

材料和方法

已选择腔接收器以拦截旁路全光谱和CPV模块滤波的光谱IR辐射。腔接收器允许有效吸收入射辐射，同时通过使用减小的孔面积来最小化热损耗。

为液体或液体蒸汽HTF设计的点聚焦盘状腔接收器通常构造成长的圆锥形缠绕的管螺旋构成。HTF进入接收器的一个端部，然后其温度在整个线圈长度上逐渐升高。主要设计目标是最小化吸收器表面和出口HTF温度之间的温差，同时保持总压降ΔP可控。换句话说，对于接收器-HTF传热界面而言，大的努塞尔特数(Nu；或等效地，大的对流传热系数h)是有利的。对于正在开发的PV/T分布式小型系统，净热功率和流体流速相对较低，并且简单的管螺旋接收器将导致长流动路径中的层流流动，其具有完全开发的努塞尔特数(Nu＝4.36，恒定的热通量层流流动)和过高的压力要求。

结果，检查了非传统的构造方法。使用热板找到了解决方案：将金属薄板以电阻、电弧或激光方式焊接以形成单元，完成内部网格图案焊接，然后使用静水压力吹胀以形成薄通道结构。有时，这些被称为波纹板或枕形板，并且可以容易地形成各种形状并且由已知在高温下与熔融硝酸盐HTF相容的合金制成。由枕形板形成的商用热交换器的示例如图8所示。还可参考图11和图12中所示的原型。波纹对在热交换器(HX)中流动的流体进行混合，从而与对流板相比，其有效地以3倍提高了对流系数和努塞尔特数。波纹间距受流动速率和通道间距影响；通过与用于横流中的加热气缸的分析解的类比为接收器找到了最佳的波纹尺寸和节距。

针对入射通量方向和空间分布，优化了接收器孔尺寸。简单的锥形波纹板结构允许简化制造；内部挡板可以在吹胀前进行焊接，以形成结构化的蛇形流动路径。这增加了在接收器中的停留时间(t≈10s)，并以最小的再循环促进了均匀流动。(图9)。

结构化通道设计在HTF通过整个接收器时对其均匀加热。(图10)。将Inconel625选作构造用合金的选择；它很好地承受热冲击，在熔融硝酸盐中的腐蚀速率非常低(0.5-2.0μm/yr)，并且已成功应用于焊接波纹板HXs。内表面可以涂上Pyromark 2500涂料(α_太阳能＝0.96，ε_热能＝0.87)，或者留以进行氧化处理，以提高选择性吸收/散发性能。入口端口1010和出口端口1020如图10所示。

接收器350用绝缘耐火板3610(见图35)(6.4mm Silpower或RSLE-57刚性二氧化硅板)与PV模块分开，该绝缘耐火板也用作主要的热接收器孔板。外部壳体3620屏蔽了接收器和接收器绝缘体(例如，25.4mm厚的Microtherm微孔绝缘体)，以产生2.3％的净导电损耗。表1列出了热接收器的主要规格。

表1：波纹板热接收器规格

专门从事电子束和2D CNC激光焊接高温合金的当地航空航天制造商(加利福尼亚州阿纳海姆市的电子束工程公司)参与了接收器原型制作的第一步也是最关键的一步。整个制造过程为：(a)在2D板叠中熔焊蛇形流动路径和点焊；(b)将2D平面图案卷成锥形的接收器形状；(c)将HTF入口和出口管接头钎焊到接收器上；(d)使用0-10000psi[0-680巴]手动液压泵将HX液压扩展到设计的流道厚度(标称值为0.8mm)；(e)用Pyromark 2500选择性表面涂料涂覆内表面；(f)组装到绝缘的接收器壳体中。

值得一提的是过程加热市场应用在接收器系统设计上的影响。表2在两个系统使用相同的t＝0.5mm的Inconel 625波纹板接收器的假设下突出显示了关键设计参数。由于材料的容许断裂强度在低于550℃的温度下会急剧增加，因此接收器可以适应水HTF中温系统的增加的工作压力。HTF流速保持层流，并且在两种情况下，相对于平行板，波纹板的几何形状预期增加对流传热。对于基于油的传热流体，获得了相似的结果。结果，同一接收器可以用于水系统、油系统和盐系统。

表2:热接收器设计参数比较：高温应用和中温应用

为了使制造和组装风险最小化，第一焊接的接收器原型包括简化的U形弯曲流动路径1100(图11和图12)。图11示出了U形弯曲流动路径1100的平面图、端视图和立体图。探索了两种不同的焊接结构：单缝型材和双缝型材(分别为原型接收器1210和1210)，其中一个或两个焊缝将相邻的流动通道分开。激光焊接供应商提供了有关最小波纹点尺寸分辨率和节距的反馈；制造了一种焊接夹具以使毛坯保持平坦，并用作全穿透焊的散热器，同时降低了烧穿的风险。管接头钎焊和吹胀试验证明是成功的：与测量值3200psi[221巴]相比，用于8.5mm宽通道的吹胀开始的计算压力为2970psi[205巴]；压力增加到6000psi[414巴]，以确保相对于安全壳夹具完全吹胀。原型扩展到通道厚度为0.8到1.5mm。将成品接收器放置在热测试流回路中以作为无源构件(未加热)，以测量有效的热损耗和液压损耗，并与子系统模型进行比较。

在图13中示出锥形全接收器平面图案几何形状1300。已经开发出用于切割型材周边1310、形成锥形几何形状并控制吹胀厚度的工具和夹具(图14)。500W筒式加热器1510与铝制接收器嵌入件1520一起使用，以模拟等通量加热用于实验室测试(图15)。

在图37和图38中示出了替代实施例。图37示出了金字塔形热接收器3750，并且图38示出了金字塔形全接收器平面图案几何形状3850。据推测，金字塔形热接收器将更适合于正方形或矩形聚光器，并且锥形实施例更适合于弯曲或抛物面聚光器。

数值建模

针对一系列接收器流动路径/内部通道设计，进行了COMSOL分析。目的不仅在于优化接收器性能，还在于创建与COMSOL系统和PV模块分析兼容的模型。研究了两种不同的HTF：加压水和熔融盐。在所有建模案例中，每种流体的入口和边界条件都相同，并汇总在表3中。

表3：传热流体流动条件汇总

HTF	入口压力(巴)	入口温度	流速
				水	18	120℃x	1.3g/s(2.4L/h)
盐(Na-K NO3)	1.2	250℃x	1.1g/s(2.1L/h)

聚集的太阳能中穿过PV阵列的部分太阳能加热锥形热接收器350。通量在经过位于接收器孔处的焦点发散后会撞击表面，并且会非常不均匀。在图16中可以看到热通量分布的视觉和图形表示。

压降和流量分布是计算流体动力学模型中的两个目标参数。流量应相对均匀地分布，并具有最小的停滞区域以最小化接收器任何特定位置中的热量积聚。在此分析中考虑的主要热参数是内部锥形表面的峰值表面温度和定性温度分布。

检查了两个主要的自由度：流动路径和焊接波纹点密度。确定了用于初步建模的三种不同的流动路径：(1)水平蛇形线，其中流体沿表面水平行进，然后下降并反转方向，重复直到到达底部并流出；(2)垂直蛇形线，其中流体在表面上上下移动，同时也径向移动直至到达出口；以及(3)歧管流动，其目的是使流体充满整个顶部通道，然后在整个圆周上均匀地向下行进，其在到达底部后离开接收器之前被均匀加热。焊接点/波纹可以沿流体通道放置，并用于增加接收器的结构稳定性。在此分析中，使用水平蛇形流动路径对三种情况进行了比较：无波纹，中等波纹密度(节距>10mm)和高波纹密度(节距<5mm)。

最佳设计在图17中示出，其是水平流动路径1710具有高波纹密度的热接收器1700。垂直流动路径的总体温度高于水平流动路径，而歧管设计完全失效，其中总停滞的槽口导致表面温度明显高于其它两种设计。此外，盐HTF和水HTF在几乎每个方面都表现出相似的行为，并且因此，仅示出了水HTF情况。可以在下面的表4中找到所有结果的汇总。

水平蛇形设计的无阻挡(无波纹)流动在流动通道中非常均匀，其中拐角处只有很小的变化。波纹阻挡会导致稍强的动力流，其中在波纹后面出现低速尾流，并且由于有效横截面面积的减少，绕过它们的速度会略微增加。对于高度呈波纹状的情况，增加的波纹的确会使整个系统的压降增加大约50％，但仍保持在设计极限内。

对图17中温度曲线的仔细检查表明，波纹确实直接在波纹点周围的区域中产生了很小的变化。这主要是由较高的流速引起的，当流体通过高通量区域时，其使得在峰值温度中产生较小但明显的降低。例如，峰值温度随着波纹密度的增加而降低：在无阻挡的情况下为233℃，在中等波纹密度下为230℃，以及在高波纹密度下为223℃。

分析表明，增加波纹会增加接收器的压降，而波纹的确会降低接收器的表面温度。尚不清楚是否存在增加更多焊接点变得更有利的点，但是目前的结果表明，具有一定程度的焊接波纹的水平蛇形流动路径将是最佳设计。表4汇总了所有建模配置以对不同流动路径之间进行定性比较。仅给出出口温度，以显示在给定参数和热通量的情况下的温度，并且还强调这实际上是隔离的系统，其没有外部损耗(传导、外部对流、再辐射)。

表4：COMSOL配置和结果汇总

实验测试

在热流装置上测试了原型接收器U形弯曲1810(图18)。如预期的，通过原型的压降与流速成正比，这是由整体气动泵入口压差影响的。

进行了进一步的测试以表征总的传热系数，并建立了取决于雷诺数的波纹板摩擦因数。将接收器浸入冰浴中的实验得出的总传热系数超过了市售浸入式换热器的总传热系数(测得的U＝627W/m²-K；典型的无搅拌浴浸入的U＝200-500W/m²-K)-其支撑了小范围波纹几何形状将提供传热能力改善的假设。从测得的压降和流速还计算得出摩擦系数，并将其与模型的摩擦系数进行比较；数据表明了与相对于由达西-魏斯巴赫方程预测的层流状态中的雷诺数的反比关系的良好一致性(图19)。

在成形和吹胀之后，整个锥形接收器的几何形状如图20所示。该接收器350的特征在于使用气动泵送流动回路，其具有水HTF，并且入口压力在100-160psi的范围内，并且产生的流速为0.2-2.8g/s。然后，使用0-500W可变功率筒式加热器嵌入件加热该接收器；HTF温度如图21所示。

接下来，将接收器安装在高通量的15kWe氙弧灯泡太阳能模拟器中。模拟器的功率是通过结合使用光栅滤波器和可调节电流电源供给来调节的，以在系统焦平面上产生320-430W的光功率，如由量热计测量的。使用一对平凸聚光透镜修改了方向分布，以更准确地表示从抛物面盘状物获得的聚光通量。在调整模拟器功率时，将水气动地泵送通过锥形接收器。测得的HTF温度和计算出的提取HTF功率与模拟器输入非常吻合，这表明锥形接收器的几何形状能够实现有效的光能到热能的转换。参见图18。

储存罐

材料和方法

较低的热损耗预算和较小的系统尺寸使设计趋向于与液体氦低温杜瓦瓶类似的真空多层绝缘(vMLI)罐设计。这些设计旨在最小化对环境的热损耗，同时将液氦保持在4K。装有液氦(LHe)的中央罐被vMLI环包围，vMLI环又被充满液氮的罐所包围。该组件进一步被第二vMLI腔室包围。(参见图23)。液氮环用作缓冲件，以使液氦含量与环境温度绝缘。

TES罐220(也参见原型罐2400)被制成用于高温用途，并且其结合有电抛光的不锈钢盐罐2410以减少辐射传递(参见图24)。外部真空容器2420和盖2430由铝制成以减轻重量。该系统尺寸设计成容纳12L的HTF，从而提供大约2.6kWh的热储存。PV/T罐中罐原型设计2400带有可拆卸的机加工盖2430，该盖具有玻璃密封的气密连接器2450形态的HTF浸入管、加压空气管线、仪器和加热丝引线馈通。低辐射铜箔和玻璃纤维编织布的交替层缠绕在真空区域2435中的罐周围。

关键的技术挑战包括内部寄生热传导损耗，其由于内部罐支撑件2455、管馈通2450和过多的原型热电偶仪器而导致。已通过避免沉重的真空桥接仪器和加热器接线来努力减少了寄生损耗。例如，罐热电偶探头通过真空绝缘端口延伸进行了重新布线，并且设计成具有更长的传导路径长度L(传导损耗

)。已经确定了各种真空吸气剂材料，并且将它们设计成位于经由短真空导管附接的远程罐中，以保持其较低的工作温度并保持长期的气体吸收性能。

与具有液氮防护罩的液氦杜瓦瓶类似的同心罐由于多种原因是有益的。首先，紧凑的设计减少了总的暴露表面积，从而最小化了对环境的损耗，并减少了必须维护的真空密封的数量。其次，由于屏蔽罩的温度比环境温度高，因此热罐的总损耗将减少。最后，热罐损耗不会散发到周围环境，而是会较大程度地被冷罐吸收，冷罐会预热冷盐并限制防止盐冻结所需的电加热量。

在太阳能工业中，用于高温保温的真空绝缘在用于抛物槽系统的真空管太阳能接收器中是先例。这些系统的温度略低(300-400C)，但表面积较大。这些系统应为在较长的使用寿命内保持所需的真空度提供了先例。

所需的绝缘率基于所储存的总能量和能量储存的持续时间。由于目的是在没有太阳能的情况下继续发电，因此储存时间范围可能为：约30分钟用于由于云层覆盖而导致的太阳能瞬变，约6小时以协助夜间高峰负载时间或约17小时用于在太阳能资源不可用的整个时间内保持发电。

对于六个小时的储存时间和2.6kWh的热能储存，为了保持95％的储存能量，所需的热绝缘远远超过了环境压力绝缘材料。稳态损耗率必须保持在21W以下。进行了分析以确定达到该低损耗率所需的真空水平和绝缘材料。使用结合气体导热、绝缘纤维导热和反射箔之间的辐射传递的模型，设计了一种可以满足损耗要求的绝缘。初步数据表明，该模型的预测是准确的，但是该罐尚未在实际工作温度和压力下进行测试。

每个罐均配备有带护套的400W筒式加热器，其可以在测试前进行预热。在最坏的情况下，这些加热器的功率足以在合理的时间内融化充满固化HTF的罐。此外，每个罐都有外壁安装的温度传感器和内部热电偶轮廓探头以充分表征TES组件内的温度场。

TES罐设计成具有可移除的盖2420以用于进入HTF储存罐2460(热盐储存)和2465(冷盐储存)；每个HTF罐在罐底部附近都有可移除的CF法兰挡块，可以将其移除以排掉所有液体。所有内部端口均使用CF法兰刀形边缘密封件2470联接到盖，密封件使用了可消耗的铜垫圈。

结果与讨论

一旦罐2400制成，将其与热流回路连接并使用一系列性能测试进行验证。首次测试使用水作为HTF，在25-90℃之间循环。系统经历了120分钟的充电周期，然后允许在监测内部HTF和罐壁温度的同时静置过夜。在8小时以上的储存期内测得的损耗为2.3W，这与模型在这些HTF水条件下的预计损耗极为吻合。测得的损耗表示6小时的往返储存效率为96.4％。不存在经由气动泵进行流体添加或抽取的障碍；因此，该单元可以轻松实现PV/T系统的功率提取率。

接下来，将中央TES槽抽空、预热并填充熔融硝酸盐。在HTF转移过程中，将盐加热至565℃；没有观察到热应变、泄漏或灾难性的真空损耗的迹象。但是，值得注意的是，TES真空压力在预热和热盐填充过程中逐渐升高，1周后，压力在温度下从20mTorr升高到1Torr以上。这是可以预料的，因为罐在制造商出厂之前没有经过真空烘烤过程。热盐HTF填充充当替代烘烤程序，并且vMLI层脱气。将罐送至进行真空再抽气至0.1mTorr；在此期间，外部真空分子筛再生。

初始TES性能测试包括温度范围为-196至575℃的各种HTF(液态氮、水和熔融硝酸盐)。对于所有测试，使用浸入式轮廓探头热电偶以及离散的罐壁温度表面安装热电偶来捕获罐内部温度场。使用对流和电离计测量罐真空压力。图25描绘了与热流回路连接的TES2400，其中外部流回路罐(2×1200W带加热器)用于在将盐HTF转移到vMLI TES罐中之前对其进行熔化并预热。在盐的融化和转移过程中，将外部伴热电阻加热器(总共450W)安装在绝缘下面以预热转移管道。

水和液氮测试均显示出符合设计目标的正常性能。初步的盐测试数据还显示，当针对增加的真空压力进行调整时，与vMLI TES模型有出色的一致性。正如预期的，HTF体积温度几乎随时间呈线性下降。环形屏蔽罐尽管是空的，但温度也随时间降低，但速度较慢(图26)。表5总结了迄今为止测试的关键TES罐性能指标。

在测试期间，没有观察到热应变、泄漏或灾难性的真空损耗的迹象。但是，TES真空压力在收到罐后的几周内逐渐上升，然后在罐预热和热盐填充过程中迅速上升。设计压力为0.1mTorr(0.014Pa)，这限制了这种稀薄空气状态下的传导损耗。预计观察到真空压力在550℃下放置1周后增加到超过1Torr(140Pa)，这是因为罐在装运前没有经过真空烘烤过程。这将空气转变为非稀薄状态，并且预测的热传导损耗和实验的热传导损耗都大约高出一个数量级。对该罐进行粗略的机械泵送和分子筛再生，然后与油浴扩散泵连接以达到最终设计压力。理想地，与3.0E-7atm/cc/秒的预烘烤测量速率相比，预期真空将保持稳定，其中设计泄漏率为2.0E-9atm cc/秒。这些泄漏率分别对应于8.4mTorr和1300mTorr的真空压力在5年中的增加。前一个结果是可以接受的，其中仅热性能的降低很小，并且可以预料的是，实际的系统每3至5年将经历一次真空再抽气。

通常，测得的损耗与模型非常吻合。在水和盐的情况下，这些实验损耗表示6小时的往返储存效率分别为96％和55％。随着罐真空度恢复到设计目标，系统有望达到盐情况的95％目标。

表5：迄今为止测得的TES实验性能参数

气动驱动传热流体和管道

材料和方法

为了使TES和接收器系统的成本保持较低，必须采用替代性的盐HTF泵送方法。常规的熔融盐垂直轴离心泵非常昂贵，存在长期可靠性问题，并且并非设计成用于系统所需的低流速。例如，其中硝酸盐HTFΔT＝300K的标称600W热接收器需要1.3g/s的质量流速或2.5L/h的体积流速。这比商业TES熔融盐泵的流速低几个数量级。

为了解决这个问题，已经设计了一种气动泵送系统，该气动泵送系统将HTF传送到TES或从TES传送HTF。在TES的日照充电期间，低温罐中的剩余空间被加压以诱导流动。这种类型的系统成本低廉，易于控制，并且适合这种小型PV/T TES系统。在管道尺寸和压力差之间存在折衷，其与管道尺寸、流速和在HTF管道中的停留时间抗衡。图27描绘了冷水罐管道接收器管道热罐流回路中的压降。计算出罐出口/折返、阀、限制、与往返于接收器的HTF管道的粘滞摩擦的损耗，1＝1200mm，并且假设接收器内的ΔP＝100kPa。认为高于700kPa(100psi)的压力是不可行的，从而导致最小管道直径为4.0mm。在此尺寸下，流体将需要10.2s的时间从TES罐传输到接收器，并且对于往返的温度降损耗(假设通过绝缘的管道外径的损耗为300W/m²)总计4.6K。

气动泵送对于该PV/T应用具有三个主要优点：(1)其可以有效缩小规模以适应小型分布式系统；(2)其成本非常低，仅需要空气螺线管阀用于泵致动；以及(3)每个单元都有潜在可用的压缩空气，因为气动跟踪波纹管致动器需要压缩空气。

为了验证这一概念，建造了原型的室温气动泵送装置(图28)。选择水-甘油混合物作为工作流体，从而允许在室温下安全运行并控制粘度以使熔融硝酸盐HTF的粘度大约接近3cP。便携式机动气挂钢罐2810(供应罐)和2815(接收罐)与具有推入式连接配件和柔性聚乙烯管线的3D打印的接收器原型2850结合在一起。控制空气压力由空气调节器和通过DC-DC固态继电器2855与微控制器2857连接的12VDC Clippard空气螺线管2820(#EC-2-12)管理。PWM占空比和频率随进气压力变化以表征和控制HTF流速。流动回路装有流量计和0-150psi压力传感器。止回阀和针形阀也集成到设计中以用作井喷系统。

结果与讨论

测试数据显示了气动泵送概念的可行性，其中通过快速原型的波纹板接收器的压降低于预期(图29)。然后使用高温、与熔融盐相容的组分复制该系统。直接质量测量允许在HTF往复移动时计算流速，从而模拟充电和放电模式(图30)。与水甘油装置相似，便携式机动气挂罐3010(冷罐)和3020(热罐)被用作集成vMLI同心TES罐的代理。所有湿式构件均为304L或316L不锈钢；几个电伴热式加热器和带式加热器用于预热系统并融化盐，总计3.9kW。使用自调谐温度控制器将其控制在4个单独的区域中。为了测量流速，将罐中的一个罐安装到位于称重传感器上的较小的自支撑框架上(图31)。

600W的带镍钴合金护套的筒式加热器提供了热输入，并模拟了最终系统中热接收器将提供的“日照”充电。它容纳在定制的304L不锈钢同心流壳体中，并由附加的温度控制器控制。在整个流动路径和储存罐内安装了多个热电偶以表征HTF流动回路。世伟洛克型不锈钢压缩配件连接了管道和各种构件。流量控制空气压力由0-120psi[0-8巴]空气调节器控制，并且使用5通3路空气螺线管阀控制流量方向；流量回路装有0-150psi压力传感器。整个流动系统使用50mm厚的陶瓷纤维绝缘材料(Morgan Thermal Ceramics Cerablanket：k＝0.062W/m-K，标称密度＝6lb/cu.ft.)绝缘。仪器与Agilent 34972A DAQ记录仪连接。附加的安全预防措施需要钢制二级安全壳，如果发生泄漏，该安全壳能够容纳全部盐量(约12L)。

测试证明了气动泵送概念的可行性；它已可靠地用于所有接收器流量特性研究。应该注意的是，对于工业过程加热(IPH)系统，可以使用常规方式对HTF进行加压和泵送，然后将其分配到PV/T系统的网络中。

太阳能聚光器

材料和方法

聚光系统设计成产生区域(孔)，通过该区域，太阳能辐射通量或每个区域的太阳能辐射量是地球表面太阳能辐射正常强度的好几倍。当聚光器(反射镜和跟踪器)的每单位面积的成本远低于能量采集设备(在这种情况下为CPV电池和热接收器)的每单位面积的成本时，这允许以较低的成本来采集太阳能。由于热接收器的损耗随面积成比例增加，因此这还使得减少热接收器中的损耗。

两种聚光的方法是可能的：反射表面和折射表面。具有多于一个光学元件的系统通常可以同时使用反射光学元件和折射光学元件。典型的反射表面包括镀银玻璃和镀铝聚酯薄膜。典型的折射表面包括PDMS(聚二甲基硅氧烷或硅树脂)或玻璃。

以两种方式测量光被聚集的量。“聚光比”是在孔中任何点的辐射强度除以入射在收集器上的辐射强度。“几何聚光比”是孔的面积除以收集器的面积。由于损耗，整个孔上的聚光比的平均值总是小于几何聚光比。

聚光器可以全天跟随太阳的运动以最小化入射光到收集器的角度。这可以通过沿一个轴或两个轴移动收集器来实现。

聚光器的一种常见形状是抛物面反射镜，其中该反射镜的形状定义为沿一个轴或两个轴的抛物面。然后，孔位于抛物面的焦点处，并且抛物面的对称轴在一个或两个轴上跟随太阳。

聚光器的另一种常见形状是菲涅耳聚光器，其中3D光学元件离散化为许多狭窄的小平面，并且这些小平面沿着光轴重新定位到更方便的位置，例如在平面上。小平面可以相对于该平面旋转，或者平面可以在小平面位置相对于平面固定的情况下旋转。前者(旋转小平面)常见于菲涅尔反射光学元件，而后者(旋转平面)常见于菲涅尔折射光学元件。每个小平面使得与小平面所在的平面垂直的光束将通过小平面重新定向到光学元件的焦点。这可以在一个轴或两个轴上完成。

次级光学元件通常设计成进一步聚集光，以创建期望的光照轮廓，或容忍光学系统相对于入射辐射的不完美对准。光学系统的接受角是入射光子可以具有并且仍到达孔的角度范围。类似于初级光学元件，次级光学元件可以是反射性的或折射性的。次级光学元件的常见形状是复合抛物面聚光器，其由两个不同的抛物面的截面形成。复合抛物面聚光器通常因其高接受角而使用。

较简单的次级光学元件本质上可以是锥形的，从而使通常会落在孔外部的光子反射回接收器的内部。与更复杂、性能更高的复合抛物面聚光器相比，较简单的锥形接收器的优势在于它们制造更简单且更便宜。

移动聚光器的方法

太阳运动通常由两个角度描述：方位角和高度角。方位角是太阳沿水平面的角度，而高度角是从水平面测量的太阳的角度。太阳能跟踪器是使太阳能系统围绕一个或两个轴移动直到太阳能设备的孔指向太阳的设备。对于单轴跟踪，跟踪器的太阳能入射角度在跟踪轴上较小，但在未跟踪轴上较大。两轴跟踪将使入射的太阳能在两个轴上都具有较小的角度。具有光学聚光系统的设备通常要求跟踪器的指向精度在0.1度和1度之间。对于2轴跟踪，使收集器运动的机构(跟踪器)必须具有2个自由度，以及对于1轴跟踪，使收集器运动的机构(跟踪器)必须具有1个自由度。每个自由度都必须通过使整个组件围绕跟踪轴旋转的设备或致动器来执行。

最通常地，致动器是使用电动机和用于平移或旋转设备的几种装置中的一种来机电驱动的，装置包括但不限于齿轮、蜗轮、回转驱动器、杠杆、滑轮和缆线。其它类型的致动器是可能的，包括气动或液压致动器。跟踪器可以包含确定跟踪器的位置和/或太阳的位置的传感器。致动器通常与控制系统耦合，该控制系统负责移动致动器，使得跟踪器和聚光器指向正确的方向。控制系统可以使用传感器和/或当日时间来确定适当的指向方向。跟踪器和控制系统还负责在认为有必要时将系统移动到安全或“收起”位置，例如在强风天气期间。

紧凑型热机

材料和方法

可以使用热机将从热接收器中除去的热量转换为电能。热机将能量从高温储热器转移到低温储热器，同时将该热量的一部分转化为电能。进出发动机的所有能量的总和减去储存在发动机中的任何能量后必须等于零。进出发动机的三种必要能量流是：从高温储存器流入发动机的热量，经由电从发动机流出的功以及从发动机流出进入低温储存器的热量。可能有其它能量流入和流出发动机，或者可能存在在储存发动机中或在其中释放的能量，但是在没有这些其它能量流的情况下，可以说从发动机流出的功等于从高温储存器流出进入发动机的热量减去从发动机流出进入低温储存器的热量。发动机的效率就是发动机的功除以从高温储存器进入发动机的能量。

η＝W_流出/Q_进入

发动机的最大可能效率的热力学极限由卡诺方程式给出。

η_卡诺＝1-T_C/T_H

卡诺方程式意味着对于高效发动机而言，高温储热器的较高温度和低温储热器的较低温度都是期望的。高温储热器的温度由热接收器流体出口温度设定。因此，如果热接收器较热，则热机可以具有更高的效率。

热机可以使用诸如水、空气或有机流体的热力学工作流体来操作。利用输入到发动机的热量对流体进行加热、膨胀、冷却和压缩。流体的运动用于驱动机械轴或曲柄，其又用于发电。替代地，热机可以是固态的，其中没有工作流体或移动部件，诸如热电发电机。

太阳能热收集器与工业过程加热系统的集成

材料和方法

太阳能热收集器的目的是在不对现有基础设施进行明显改动的情况下增加可再生能源热源。以前的工作已经使用了带有其自己的管道和锅炉系统(蒸汽分离器、闪蒸罐、给水泵)的太阳能锅炉，但是这会产生大量额外成本，其使该系统不经济(30)。建议的设计将利用锅炉系统的现有基础设施(包括反馈控制、给水泵和蒸汽储存)以避免这些成本。这可以示意性地在错误！找不到参考源.34。

标准锅炉系统具有在升高的温度下维持的预热备用水供应，以最小化待添加以沸腾水所需的热量。当锅炉中的水位下降到一定水平以下时，将水注入到锅炉中进行加热。在锅炉中，水保持在沸点温度。当加热系统中的蒸汽压力下降到给定值以下时，锅炉打开并开始蒸发其内含物，直到压力达到所需的阈值为止，其中锅炉在该阈值点关闭。

可以在循环中引入太阳能热收集器以最小化锅炉主动沸腾所需要的时间量。这可以通过两种方法中的一种方法来完成(错误！找不到参考源.34)。对于低功率情况，可以使用太阳能热收集器将将给水预热至沸腾温度。这对应图34中的路径A。对于高功率情况，太阳能热收集器可以在给水预热阶段之前从冷凝水回流中抽出水并直接将水烧开。输出可以直接进入蒸汽管线，并有助于保持系统所需的蒸汽压力。这对应错误！找不到参考源.34中的路径B。

也可以使用这些排列方式的任何排列方式。在20至100个收集器的情况中，有些可能专门用于预沸腾，而另一些用于直接产生蒸汽。以这种方式，太阳能收集器用作蒸汽的基本负载，而现有的锅炉用作顶部发生器。这将最小化用于产生蒸汽所的使用燃料，从而节省了设施的成本。

为了采用此种方案，将需要建立管道网络以便向每个盘状物供应冷水并返回热蒸汽。此外，将需要使用一系列的止回阀和旁通区域，以确保太阳能热发电机的任何过量生产都可以安全地转送到环境中，而不会对现有系统造成负面影响。避免这种情况的一种方法是调整安装大小，使得太阳能热发生器在任何时候都不会超出需求。

Claims (19)

1.一种聚光太阳能光伏和光热系统，包括：

太阳能聚光器，其具有焦点；

位于所述焦点附近的光伏模块，所述光伏模块具有面向太阳能聚光器的第一侧和背对所述太阳能聚光器的第二侧，所述光伏模块至少部分地对红外光透明；

热板，所述热板由第一金属薄板和第二金属薄板彼此焊接形成，以创建结构化通道和多个波纹，所述多个波纹混合所述结构化通道中流动的传热流体；

入口端口，所述传热流体能够通过所述入口端口流入到所述结构化通道中；以及

出口端口，所述传热流体能够通过所述出口端口从所述结构化通道流出；

其中：

所述热板形成接收孔，所述接收孔面向所述光伏模块的第二侧，并且来自所述光伏模块的红外光穿过所述接收孔；以及

所述第二金属薄板形成内部腔，所述内部腔吸收穿过所述接收孔的红外光并且将所述红外光转换为热量；以及

所述热板与所述光伏模块热绝缘，以减少两者之间的热流动。

2.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中，所述结构化通道形成蛇形线流动路径和歧管流动路径中的一个。

3.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中，所述热板还包括纵向轴线和形成垂直于所述纵向轴线的流动路径的多个结构化通道。

4.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中：

所述热板包括锥形形状或金字塔形状；以及

所述接收孔是所述锥形形状或金字塔形状的底部。

5.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中，所述热板由镍基合金构成。

6.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中，所述内部腔涂覆有高吸收率的表面处理剂。

7.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中，所述多个波纹被设置为沿着所述结构化通道具有大于10mm或小于5mm的节距。

8.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，还包括绝缘体，所述绝缘体位于所述光伏模块和所述热板之间，所述绝缘体形成所述接收孔的至少一部分并将所述光伏模块与所述热板热绝缘。

9.根据权利要求8所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中，所述接收孔允许所述红外光的至少一部分穿过所述光伏模块以进入所述内部腔。

10.根据权利要求9所述的聚光太阳能光伏和光热系统，其中，所述光伏模块和绝缘体至少形成所述接收孔的部分密封。

11.根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统，还包括经由所述入口端口和所述出口端口连接到所述热板的热能储存单元。

12.一种热量产生方法，包括：

使用根据权利要求1所述的聚光太阳能光伏和光热系统的太阳能聚光器将太阳光聚集成聚光的太阳光；

将聚光的太阳光传送到聚光太阳能光伏和光热系统的光伏模块中；

将未被所述光伏模块吸收的聚光的太阳光的红外部分传送出所述光伏模块，并穿过由所述聚光太阳能光伏和光热系统的热板形成的接收孔；

利用热板的内部腔将穿过接收孔的所述红外部分转化为热能；

将来自内部腔的所述热能传导到流经由热板形成的结构化通道的传热流体中；以及

当传热流体流经结构化通道时，利用热板的多个波纹将传热流体混合。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括使传热流体经由入口端口流入到所述结构化通道中。

14.根据权利要求12所述的方法，还包括使传热流体经由出口端口从结构化通道流出。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括将聚光的太阳光引导到所述光伏模块的第一侧上。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括将热板与光伏模块热绝缘。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括将热能储存到热能储存单元中。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述转化包括利用高吸收率的表面处理剂涂覆内部腔来转化所述红外部分。

19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述热绝缘包括利用位于热板和光伏模块之间的绝缘体将所述热板与所述光伏模块热绝缘。

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