CN113028654B - 使用太阳源热能的高能量效率的装置、设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于储存和交换太阳源热能的装置，其使用光学系统来接收集中的太阳辐射，包括：壳体，其限定内部隔室和辐照开口，开口允许集中的太阳辐射进入；可流体化固体粒子床，接收在内部隔室内、具有操作区域和热聚积区域，操作区域在使用中直接曝露于集中的太阳辐射；粒子床的流体化手段，其确定在操作区域中的第一流体动力方案不同于在聚积区域中的第二流体动力方案；用于抽吸流体化气体的抽吸手段，其在壳体内布置于粒子床的自由空域上方；以及成型的密闭结构，其将床的粒子保持于壳体内、且至少部分地朝向外部突出。密闭结构具有锥形，形状具有朝向壳体的内部减小的截面；并且在密闭结构处获得与自由空域连通的空气抽吸出口。

Description

使用太阳源热能的高能量效率的装置、设备和方法
本申请是申请号为201680046017.8、发明名称为“使用太阳源热能的高能量效率的装置、设备和方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于基于可流体化粒子床而储存和交换太阳源热能的装置。本发明进一步提供一种包括这种装置的能量生产设备和一种相关方法。
背景技术
借助于定日镜进行的太阳能的收集为已知技术，定日镜将辐射集中于反射器镜面上。反射器镜面又基于流体化粒子床而将辐射输送至热储存和交换装置上。举例而言，在WO2013/150347A1中以相同拥有者的名义描述了这种类型的系统。
用于生产热能/电能的设备可以基于用于储存和交换太阳源热能的这种装置，这些设备将根据希望获得的热功率而包括用于储存和/或交换的一个或多个单元。
已知技术的流体化床装置是根据两个主要结构而实施的。
基于在WO2013/150347A1中描述的第一种结构，在装置的金属空腔的壁上接收太阳辐射。这种空腔限定粒子床的壳体的一部分，且其在粒子床的壳体内部延伸。流体化粒子床从空腔壁减去从集中的太阳辐射得到的热能。
在高入射辐射流存在的情况下，刚描述的结构具有将空腔表面曝露于高热温度和梯度的缺点，高热温度和梯度可以危害热机械抗性和耐久性。为了降低和控制空腔壁所曝露于的热流，可以在围绕装置布置的若干子区段中组织定日镜场，且定日镜场可以构造成使空腔表面上的热流均匀。然而，定日镜场的这种构造要求用于各太阳能产生单元的相当大的占地面积。
此外，描述的结构对储存和交换装置的最大操作温度作出限制，这是因为该最大操作温度取决于构成空腔壁的材料的耐热性。还通过将热能从空腔转移至粒子床的模式和通过构成空腔自身的材料的传导性来调节这种操作温度。
在第二种已知结构中，并不提供上述空腔，且储存和交换装置的粒子床接收经过在装置的壳体上所获得的透明材料(典型地为石英)的窗所集中的太阳辐射。
然而，此第二结构的临界条件在于必须避免透明窗与流体化固体的直接接触，且这适时限制透明材料的褪光现象的出现，这降低其接收有效性。
与使用具有透明窗的类型的接收手段相关的额外缺点涉及以石英生产具有大小大于用于实验室或原型种类的设备的窗的难度。
此外，与上述两个结构(特别是与具有空腔或窗的相关接收手段)相关联的额外缺点在于归因于入射太阳能的一部分朝向外部环境的重新释放的热损耗。这部分取决于构成接收手段的材料的特征。
由于刚所提及的内容，用于储存和转移太阳源热能的上述装置对于生产电能可以具有高成本，无论如何远离所谓“平价电网(parity grid)”。
发明内容
由本发明提出且解决的技术问题接着将提供一种用于储存和转移太阳源热能的装置，该装置允许预防上文参考已知技术所提及的缺点。
通过如权利要求1所述的装置解决此问题。
本发明进一步提供如权利要求17所述的设备和如权利要求18所述的方法。
本发明的较佳特征为从属权利要求的主题。
本发明提供一种用于基于流体化粒子床而接收、储存和转移太阳源热能的装置。该流体化粒子床在无诸如(例如)空腔或透明窗的接收手段介入的情况下由集中的太阳辐射以直接方式辐照，即撞击。换言之，该流体化床借助于在装置的壳体中所获得的辐照开口直接与外部环境连通，该辐照开口较佳地在壳体自身的上部壁处。
因此，本发明的装置并不提供介入于外部环境/入射太阳辐射与粒子床之间的透明窗或其他结构。
有利地，该装置与光学系统相关联，该光学系统由初级定日镜与次级反射手段(例如，平面镜)构成。此光学系统将太阳辐射集中于装置上，特别集中于床的布置在上述辐照开口处的操作区域上。
在有利构造中，辐照来自顶部，且借助于所谓“向下聚束(beam down)”类型的光学系统而获得该辐照。该光学系统包括置放于地面上的定日镜场，该定日镜场与布置于一定高度处(特别在装置上方)的一个或多个次级反射器相关联。
根据特定流体动力(即水动力)方案而流体化直接由入射太阳辐射辐照的粒子床的上述操作区域。因此，该装置包括用于分布和馈送流体化气体(较佳地为空气)的系统，或与该系统相关联。这种分布系统可以基于粒子床而布置，且其适合于在经辐照床区域处建立所述流体动力方案。
用于分布或馈送流体化空气的上述手段构造成以便产生分化的流体化，且接着在操作区域中相对于床的剩余部分而产生不同流体动力方案，床的剩余部分可以指定为聚积区域。这种不同流体动力方案与床的两个区域的不同流体化速度相关联。
基于第一实施例变体，控制这种不同流体化速度以便在操作区域内产生中空容积，该中空容积特别呈圆锥形或基本上圆锥形形状。
在第二变体中，甚至在操作区域内也提供分化的流体化速度，以便产生粒子的循环对流运动。粒子在操作区域的邻近子区域之间连续地迁移，即粒子再循环。
基于第三实施例变体，(还)通过介于经辐照区域与聚积区域之间的实体隔板而获得上述流体动力方案。即使在此情况下，也产生在两个区域之间的隔板上方和下方的粒子的对流运动和改变/再循环。
实施例变体可以在相同装置中提供对在上述两个区域中待建立的流体动力方案类型的选择，且该选择借助于取决于特定操作需要的对流体化速度的分化控制来进行。
在由集中的太阳辐射撞击的床的操作区域处所诱发的流体化条件是便于保证太阳源热能在区域自身的完整容积中的高分布。此床区域吸收从由专用光学系统集中的太阳辐射得到的热能。
归功于操作区域相对于聚积区域的流体动力方案的分化，允许直接曝露于太阳辐射的粒子的交换以及热能至聚积区域的转移和分布。
在较佳构造中，装置包括用于抽取从粒子床的顶部(特别从经辐照床区域处)流出的流体化空气的手段，或与该手段相关联。此抽取手段典型地构造为抽吸手段。
用于抽取空气的手段可以构造成将装置内部和粒子床的自由空域(即所谓“自由空域(freeboard)”空间)上方的环境保持为与外部环境压力平衡，或较佳地，相对于外部环境而略低压。以此方式，此手段避免空气和粒子床的可能粉末朝向外部环境流出。
有利地，可以通过例如流量传感器的控制手段辅助这种压力平衡，这些控制手段专用于流体化空气线和空气抽取线两者，使得从床抽取的气流略微地高于引入粒子床中的流体化空气(例如，高了10％)。
从环境经由集中的太阳辐射的进入开口返回至装置的空气在传递通过所述开口时(其将热含量引进至从装置抽取的空气)变热。
仍有利地，基于从装置流出的流体化空气的热含量，用于分布进入的流体化空气的手段和用于抽取流出的流体化空气的手段可以因此通过实施再生阶段而实施为交换热的协同系统。具体地，可以将通过先前传递通过床的粒子而加热的抽取的流体化空气发送至预先加热流体化空气的再生交换器，接着发送至用于在粒子床内分布/馈送空气的系统。换言之，进入粒子床中的空气以从粒子床流出的空气的热含量为代价而预先变热。
基于较佳实施例变体，上升超出颗粒床的自由空域的壳体内部的上述空间构造成执行相对于通过流体化诱发的床的粒子的运动的充气室功能。
除了装置内部的环境相对于外部环境的基于空气抽取手段的上述密闭系统以外或在对装置内部的环境相对于外部环境的基于空气抽取手段的上述密闭系统的替代例中，还可以在壳体的开口处提供进气系统。进入的空气流构造成，类似于气刀，对比从床流出的流体化空气朝向外部的流出。
在实施例变体中，作为用于控制颗粒材料朝向外部环境的损耗的额外或替代性滴滤装置，较佳地提供布置于辐照开口处的密闭结构。此密闭结构可以构造为发散圆锥且与壳体一体成型或集成。
甚至密闭结构满足充气室、充气室的部分或额外充气室的功能，以大幅度减小在床的自由空域上方所喷出的流体化空气和固体粒子的表面速度。
较佳地，在圆锥形密闭结构的情况下，上述抽取手段包括正交地展开至圆锥轴线的多个抽吸出口。出口抽吸入空气和精密粉末悬浮物，且其可以借助于专用抽吸系统将空气和精密粉末悬浮物输送至相关处理系统。这些出口甚至可以与自由空域环境连通，且在此情况下其将在自由空域内部或较佳地在其部分中的悬浮物输送于由圆锥限定的内部部门的外部。在任何情况下，出口的动作产生与固体悬浮物的提升流相对的抽吸的空气的运动场。
本发明的装置典型地包括浸渍于颗粒床，特别是布置于上述聚积区域中的热交换元件，或与该等热交换元件相关联。这些元件可以包括(较佳地至少在装置操作的选定阶段中由操作流体穿过的)管束。
相对于已知技术的间接辐照装置，本发明的装置允许在没有壁或其他障壁介入的情况下将入射辐射功率直接转移至流体化固体。因此可以获得的最大温度仅仅受到流体化固体的属性限制，且因此其本质上高于具有间接辐照的已知系统中的可以容许的最大温度。
此外，在没有透明窗介入的情况下发生入射辐射功率至流体化固体的直接转移增大温度和建立热梯度，透明窗是脏化和沉积粉末以及随之而来的褪光的潜在源。窗的不存在促使向本发明的装置给予较高强度和耐久性。
此外，本发明的装置在用于例如电能的生产的设备的应用中的优点众多。
首先，不存在用于接收集中的太阳辐射的手段会允许增大流体化床的工作温度。此事件的最直接后果为装置的热效能相当大地增大。
一旦已固定希望聚积的热量，即已固定太阳倍数(转移的功率与聚积的功率之间的比率)，则增大粒子床的操作温度的可能性甚至还涉及粒子负荷的减小。更详细地，一旦已固定希望聚积的热能量“Q”，则Q与固体的质量“m”和其温度变化“ΔT”成比例(Q≈mΔT)。接着，关于已知技术的设备，因为粒子床可以达到较高温度，所以温度差量(ΔT)可以增大且固体质量可以减小。
此外，因为不存在与接收手段相关联的实体阻力，所以具有集中的辐射光束不必均一地分布于圆形环上的构造是可能的。
取决于刚说明的内容，即使在“向下聚束”类型的光学系统的情况下，也可以重新定位初级定日镜场和次级反射器以便在占据地面方面获得较高有效性。
本发明的额外优点、特征和使用模式将从一些实施例的以下详细描述而明显，这些实施例作为示例且非出于限制性目的而展示。
附图说明
将参考附图的图式，其中：
图1展示根据本发明第一较佳实施例的用于储存和交换太阳源热能的装置在纵向区段中的示意图；
图1A展示插入于配有光学系统的能量生产设备中的图1的装置的示意性表示；
图1B通过特别参考图1的装置和一些设备部件来展示图1A的一些部件的放大视图；
图2展示基于本发明第二较佳实施例的用于储存和交换太阳源热能的装置在纵向区段中的示意图；
图2A展示图2的装置的示意性俯视图；
图3展示基于本发明第三较佳实施例的用于储存和交换太阳源热能的装置在纵向区段中的示意图；
图4展示基于图1下构造的变体的用于储存和交换太阳源热能的装置在纵向区段中的示意图；
上述图中所示的大小和倾斜应旨在作为纯粹示例，且其未必按比例予以表示。
具体实施方式
将在下文中描述本发明的各种实施例和变体，且此描述系通过参考上述图来进行。
使用相同参考标号在不同图中指定类似部件。
在以下详细描述中，相对于已在相同描述中所处理的实施例和变体的额外实施例和变体将被说明为限于相对于已说明的内容的差异。
此外，在下文中所描述的不同实施例和变体在兼容时予以组合使用。
通过参考图1，根据本发明第一较佳实施例的用于储存和交换太阳源热能的装置作为整体指定为1。
如图1A和图1B中所展示，本实施例的装置1旨在插入于能量生产设备500中，假设将多个装置包括为在本文中考虑的一个装置。
设备500包括光学系统，光学系统构造成将入射太阳辐射聚焦于装置1上。各装置可以与其自身的光学系统相关联。有利地，此光学系统具有“向下聚束”构造。特别地，光学系统可以包括布置于地面上且适合于收集太阳辐射以将其偏离/集中于次级反射镜面502或等效次级光学元件的多个初级定日镜501或等效初级光学元件。次级反射镜面502或等效次级光学元件布置于布置在地面上的一个或多个装置1上方某一高度处，且其实际上将太阳辐射输送至装置自身上。
如在图1B中示意性地所示，设备500可以接着包括用于交换热或变换能量的部件，和电路元件，例如一个或多个泵、涡轮机、电容器等等。
通过再次参考图1，装置1首先包括密闭壳体2，密闭壳体2限定内部隔室20，内部隔室20适合于容纳很快将谈及的可流体化粒子床3。壳体2可以具有多边形，例如立方体或平行六面体、或圆柱体几何形状。
关于装置1的几何形状，我们可以限定纵向方向L，其在本示例中为垂直的；和横向方向T，其正交于纵向方向L且在此示例中则为水平的。
壳体2具有辐照开口10，较佳地布置于其自身的上部壁21处。上述次级反射器502集中实际上进入此开口10且处于隔室20内的入射太阳辐射。
开口10使内部隔室20、和接着容纳于其中的粒子床3与外部环境直接连通。特别地，开口10在使用中不具有关闭或遮蔽手段，诸如(例如)透明窗或其他手段。换言之，装置1构造成在无关闭或遮蔽手段的情况下工作。在不操作时间段期间，可以屏蔽开口以保护系统和外部环境。
可流体化粒子床3属于由固体粒子形成的颗粒类型。
用于装置1的粒子床的颗粒材料的较佳类型属于具有高传导性和热扩散率的热特征且特别具有不佳抗磨性的类型，以便最小化精细材料的生产。较佳颗粒材料的示例为河砂，河砂除了具有适合的热特征外，还具有粒子的自然圆形形状，圆形形状最小化河砂之间的相互磨损现象。
床3占据内部隔室20以便即使在使用中留出其自身的自由空域35上方的自由空间22或自由空域。特别地，空间22在下部侧上通过自由空域35定界，且在上部侧上通过壳体2的壁21定界上。
床3限定床的第一区域30，该第一区域适当于由穿进辐照开口10的太阳辐射直接辐照，亦即撞击。此第一区域30将称为操作或经辐照区域。床的围绕且邻近于操作区域30的剩余部分限定热聚积区域31。
一般而言，操作区域30布置于床3中心，且聚积区域31围绕该操作区域且纵向邻近于该操作区域。
粒子床3借助于流体化手段4而置于运动状态中，流体化手段4构造成将流体化气体(特别是空气)馈送进隔室20内。在本实施例中，手段4包括用于馈送或使流体化空气进入的多个元件，该多个元件布置于壳体2的属于粒子床3的下部基座24处。流体化空气在粒子床3内的路线接着是自底部至顶部的，特别是垂直的或大体上垂直的。
在本示例中，布置这些馈送元件，且接着这些馈送元件在聚积区域31的基座和在操作区域30的基座两者处馈送空气。在图1中，布置于操作区域30处的第一类型的馈送元件以40指定，而与聚积区域31相关联的第二类型的馈送元件以41指定。
该两种类型的馈送元件可以在进入粒子床3的流体化空气的流动速度(及可能速率)上不同。这些元件40和41甚至可以导致在其之间结构上类似，且在速度和/或速率方面以不同方式受控制。
手段4构造成确定不同于聚积区域31的第二流体动力流体化方案的操作区域30的第一流体动力流体化方案。特别地，这些第一流体动力方案和第二流体动力方案基于不同流体化速度。
在本实施例中，在使用中第一流体动力方案和第二流体动力方案两者提供粒子的运动，且接着提供粒子的流体化。特别地，在本示例中，操作区域30的流体化方案属于(例如具有射流、喷泉或脉冲的)喷流类型，且区域31的流体化方案属于沸腾类型，如在图1中借助于气泡A示意性地表示。
喷流类型的流体化床大体上为如下流体化床：其中流体动力方案的特征在于在相同床的基座处的流体化气体的中心射流归因于最小流体化与操作流体化之间的表面速度的极大差异而建立由床柱拖动的运动，该床柱通过实际上在由在射流的侧部分中所拖动的固体馈送的中心部分中产生喷泉状效应而坚持射流自身和俯瞰(圆柱体)区。
实施例变体可以使得聚积区域31的粒子至少部分地保持静止。
不同流体动力方案允许操作区域30的粒子与聚积区域31的粒子的有效热交换。此外，属于该两个区域的粒子经受持续交换和再循环。特别地，在使用中，操作区域30的粒子从太阳辐射吸收热能，且其将热能给至聚积区域31的粒子。
在本文中所考虑的特定实施例中，流体化手段4构造成在使用中确定操作区域30的流体动力方案，以便在该区域中获得中空容积36。中空容积36典型地具有基本上圆锥形形状，其中在自由空域35和根据纵向方向L的轴线处具有较大截面。
在本示例中，馈送元件40(布置于操作区域30的中心)以一定速度引进流体化空气，以便产生接收太阳能流的所述中空容积36。通过邻近于中空容积36的聚积区域31的流体化空气的较低速度(亦即，不同密度)来确定粒子从操作区域30至聚积区域31的交换，粒子交换允许最大化曝露于集中的太阳辐射的粒子表面。
热交换元件5容纳于聚积区域31，特别是管束内。在选定操作条件下(亦即，在一些使用条件下)，例如处于液态和/或蒸气状态的水的操作流体可以流动通过这些管束。
特别地，在热交换阶段(亦即，使用所保持热能的阶段)中，可以使操作流体在管束5中流动且从聚积区域31的粒子接收热。与其相反，在仅聚积阶段期间，管束5可以在干燥(亦即，不具有操作流体)的条件下工作。
可以在太阳存在的情况下启动聚积阶段。即使在太阳不存在的情况下也可以启动将热能转移至操作流体的热交换阶段。
甚至仅在聚积阶段期间也可以发生粒子床3或其区域30或31的流体化。
可以使在设计温度和压力条件下从装置1流出的操作流体在联接至用于生产电能或可以用于其他工业目的发电机的涡轮机中扩展。换言之，且如上文已经突出的，管束5连接至设备500的额外部件，例如一个或多个涡轮机、电容器、热交换器等等，以上各者自身为已知的。
装置1进一步包括抽吸手段6以用于抽吸已结束其自身的在粒子床3内的路线的流体化空气。此抽吸手段6在壳体2内布置于粒子床3的自由空域35上方。抽吸手段6构造成避免流体化空气和/或由此在外部环境中经由开口10而拖动的粒子的引入或大规模引入。
在本示例中，抽吸手段6构造成在壳体2的侧裙或侧壁23的上部部分处从自由空间22减去空气。
有利地，抽吸手段6提供(未图示)控制手段，较佳地为流量传感器，流量传感器协同与流体化手段4相关联的额外(未图示)控制手段确定由装置1抽取的空气流等于或高于引入至粒子床中的流体化空气流。
在第二情况中，抽吸手段使得空气从环境经由集中的太阳辐射的引入开口10而返回至装置中。此空气在传递通过引入开口10经由富集有带至由装置1抽取的空气的热含量而变热。
有利地，装置1提供在粒子床3的自由空域35处从粒子床3流出且由手段6抽吸的(经加热的)流体化空气与借助于流体化手段4进入粒子床3的流体化空气之间的热交换。换言之，提供借助于热交换手段而获得的热再生。
在本实施例中，装置1在粒子床3的自由空域35处具有充气室。此充气室旨在作为粒子床的低速度或零速度区，且在本示例中由自由空间22限定。
充气室22甚至促使避免空气和/或粒子经由开口10的流出或大规模流出。
在本实施例中，装置1进一步包括用于引入呈层流形式的密闭气体(特别是空气)的引入手段7。密闭气体适合于产生对粒子朝向外部流出的(额外)障壁。
手段7布置于粒子床3的自由空域35上方，特别地布置于辐照开口10处。较佳地，该布置使得恰好在开口10处平行于开口10的展开横向T发射层流，以形成开口10的一种关闭气态窗。
实施例变体可以提供多个辐照开口。在多个开口的情况下，各开口将遵循如本文所描述的单个开口情况下的有效姿态。不同开口可以与共同的操作区域或不同操作区域相关联。
现在通过参考图2和图2A，基于本发明的第二实施例的装置作为整体指定为100。装置100在两个方面不同于先前所描述的装置1。
一个第一差异在于操作或经辐照区域(在本文中以130指定)的流体动力方案。在此情况下，以104指定的流体化手段构造成在使用中确定操作区域130内的两种不同流体化速度。以此方式，在操作区域130中确定固体粒子的循环对流运动。特别地，在操作区域130的中心纵向子区域中，粒子的速度高于侧纵向子区域的粒子的速度。接着建立具有内部循环的同轴床或床的较佳循环同轴子区域的流体动力方案，其中这些子区域根据纵向方向L而邻近。上述对流运动，在床的邻近子区域的顶部部分中将具有较大流体化速度的子区域的粒子倾注于具有较小流体化速度的邻近子区域中，且在邻近子区域的下部部分中将邻近子区域的粒子吸引至具有较大速度的子区域内。
子区域的粒子的这种重新混合允许由太阳黑子涉及的在床的操作区域的完整容积中进行的质量和热能转移，且其最大化曝露于集中的太阳辐射的粒子表面。
即使在此情况下，还提供布置于操作区域130和聚积区域131处的馈送元件(分别为140和141)。即使在此情况下，馈送元件140和141还可以在数目和/或结构上不同，或具有类似结构，但具有不同控制，即在速度和/或流量方面的不同流体化参数。
装置100相对于第一实施例的装置1的第二差异在于成型密闭结构8的存在，密闭结构8布置于辐照开口10的口部处，且特别部分地在隔室20的自由空间22内且部分地朝向外部突出。密闭结构8具有贯通开口，即其具有管状结构，以便允许借助于辐照开口10而在壳体的内部与外部之间的直接连通。
密闭结构8限定充气室且接着促使避免或减少空气和/或粒子朝向外部流出。
在本实施例中，密闭结构8具有锥形，特别是圆锥形形状，其中截面朝向壳体2的内部减小。密闭结构的这种截面允许不干扰由专用光学系统集中的太阳辐射的方向，专用光学系统在本示例中为在地面处具有定日镜场的配置，较佳地根据主要方向而组织于子场中的向下聚束光学系统。
此外，在结构8的壁处获得空气抽吸出口60，或等效抽吸元件，抽吸元件可以与自由空域的环境连通，亦即，抽吸元件可以与专用抽吸系统相关联。当与自由空域连通时，这些出口60将所抽吸空气倾注至包括于自由空域35和壳体2的上部壁21内的空间中。此时，此气流也由已所图示的抽吸手段6抽吸。
通过参考图3，基于本发明第三实施例的装置作为整体指定为200。装置200归因于一个或多个隔板9的存在而不同于先前所描述的装置1，该一个或多个隔板布置成将操作区域(在本文中以230指定)与聚积区域(在本文中以231指定)分离。
在隔室20具有圆柱体几何形状的情况下，可以提供也具有圆柱体几何形状的单一个隔板9。在隔室22具有多面体几何形状的情况下，可以提供具有平面几何形状的若干隔板。
此外，流体化手段(以204指定)构造成在使用中确定操作区域230相对于聚积区域231的不同流体化速度。特别地，确定中心区域230与侧区域231之间的粒子的循环对流运动，且接着确定粒子的交换。
当操作区域230的流体化空气速度高于邻近聚积区域231的流体化空气速度时，操作区域230的粒子通过从在邻近的聚积区域231中的隔板9自身下方的底部吸引粒子来倾注于该隔板上方。此为图3中所展示的构造。
通过反转属于操作区域230和聚积区域231的流体化空气的速度大小，获得粒子相对于隔板9的再循环反转。
基于图4参考的实施例变体，除了接收集中的太阳辐射的操作区域30和邻近于操作区域30的聚积区域31外，粒子床甚至还包括额外区域310，额外区域310可以被称为热交换区域，其邻近于聚积区域，在聚积区域外部。在三个区域或至少额外区域和聚积区域的流体化方案中，可以将热能转移至此额外区域310。在此额外区域中，可以容纳上述管束5或其等效手段。
在装置的这种构造中，粒子床的各部分在其流体化时起作用，即发挥特定功能。特别地，向床的上述额外区域提供独立流体化，以便能够单独地管理聚积阶段和交换阶段。
可以在上文所图示的实施例中的每一个中将额外区域310实施为聚积区域的子区域，其可以较佳地在特定操作模式中经选择性地致动。
在所有描述的实施例和变体中，操作区域的定尺寸取决于此区域必须吸收的热能的量，和构成颗粒床的粒子的化学-物理特征。这种定尺寸的模式为本领域技术人员已知的，且那么将不对其进行进一步详述。
本发明的装置具有模块性质，即其较好地适合于连接至关于热交换的串联或并联的一个或多个类似装置。
此外，根据不同描述的实施例的上述类型的装置可以有利地相关联，以便在基于若干本发明装置的设备的生产和/或操作中提供较大灵活性。
在所有描述的实施例和变体中，向成为热能的主要载体的颗粒材料指派从集中的辐射光束传输至流体化床的能量，其不同于具有隔膜或透明窗的传统接收手段，隔膜或透明窗通过介入在集中的能量与相关热载体之间来确定能量与热载体的实体分离。
到目前为止，已参考较佳实施例描述本发明。希望可以存在如由下文所报告权利要求的保护性范围所限定的属于本发明核心的其他实施例。

Claims (21)

1.一种用于储存和交换太阳源热能的装置(1)，所述装置(1)构造成使用光学系统来接收集中的太阳辐射，
所述装置(1)包括：
-壳体(2)，所述壳体(2)限定内部隔室(20)且具有辐照开口(10)，所述开口(10)构造成允许所述集中的太阳辐射进入，所述开口(10)在使用中不具有关闭或遮蔽手段使所述内部隔室(20)与外部环境直接连通，所述开口(10)布置于所述壳体(2)的上部壁(21)处；
-可流体化固体粒子床(3)，所述可流体化固体粒子床(3)接收在所述壳体(2)的所述内部隔室(20)内，所述可流体化固体粒子床(3)具有操作区域(30)和邻近于所述操作区域(30)的热聚积区域(31)，所述操作区域(30)在使用中直接曝露于穿进所述开口(10)的所述集中的太阳辐射；
-所述可流体化固体粒子床(3)的流体化手段(4)，所述流体化手段(4)构造成将流体化气体馈送进所述隔室(20)内，所述流体化手段(4)构造成确定在所述操作区域(30)中的第一流体动力方案不同于在所述热聚积区域(31)中的第二流体动力方案，其中所述第一流体动力方案与所述第二流体动力方案基于不同流体化速度；
-用于抽吸所述流体化气体的抽吸手段(6)，所述抽吸手段(6)在所述壳体(2)内布置于所述可流体化固体粒子床(3)的自由空域(35)上方；
-在所述可流体化固体粒子床(3)的自由空域(35)上方的、所述可流体化固体粒子床(3)的粒子的流体化运动的充气室(22)，其中所述充气室(22)由介于所述可流体化固体粒子床(3)的所述自由空域(35)与所述壳体(2)的所述上部壁(21)之间的稳静空间限定；以及
-成型的密闭结构(8)，所述密闭结构(8)构造成将所述可流体化固体粒子床(3)的粒子保持于所述壳体(2)内，所述密闭结构(8)布置于所述辐照开口(10)处，且至少部分地朝向相对于所述辐照开口(10)的外部突出，其中所述密闭结构(8)限定所述充气室的至少一部分，
并且其中总体构造在使用中使得所述操作区域(30)的粒子从所述太阳辐射吸收热能，且所述操作区域(30)的粒子将热能给至所述热聚积区域(31)的粒子，
其中所述密闭结构(8)具有锥形的形状，所述形状具有朝向所述壳体(2)的内部减小的截面；并且在所述密闭结构(8)处获得空气抽吸出口(60)，且所述空气抽吸出口与所述自由空域(35)连通。
2.如权利要求1所述的装置(1)，其中所述密闭结构(8)具有圆锥形的形状。
3.如权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述流体化手段(4)构造成在使用中确定在所述操作区域(30)中的中空容积(36)的形成。
4.如权利要求1或2所述的装置(100)，其中所述流体化手段(104)构造成在使用中确定所述操作区域(130)内的至少两种不同流体化速度。
5.如权利要求1或2所述的装置(100)，其中所述流体化手段(104)构造成在使用中确定所述操作区域(130)内的粒子的循环对流运动。
6.如权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述流体化手段(4)构造成在使用中确定所述操作区域(30)中的喷流类型的流体动力方案。
7.如权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述流体化手段(4)构造成在使用中确定所述热聚积区域(31)中的沸腾床方案。
8.如权利要求1或2所述的装置(200)，包括布置于所述操作区域(230)与所述热聚积区域(231)之间的一个或多个分离隔板(9)。
9.如权利要求1或2所述的装置(1)，其中所述流体化手段(4)包括流体化气体馈送元件(40、41)，所述流体化气体馈送元件(40、41)布置于所述可流体化固体粒子床(3)或所述壳体(2)的下部基座(24)处。
10.如权利要求9所述的装置(1)，包括在通过所述流体化手段(4)而进入所述壳体(2)的所述流体化气体与借助于所述抽吸手段(6)而从所述壳体(2)流出的所述流体化气体之间的再生热交换手段。
11.如权利要求1所述的装置(1)，其中所述抽吸手段(6)构造成从所述装置(1)抽取流体化气体流，所述流体化气体流等于或高于被馈送至所述可流体化固体粒子床(3)中的流体化空气的流动速率。
12.如权利要求1或2所述的装置(1)，包括用于引进密闭气体的引入手段(7)，所述引入手段(7)在所述壳体(2)中布置于所述可流体化固体粒子床(3)的所述自由空域上方，布置于所述辐照开口(10)处，所述引入手段(7)构造成递送气体层流，所述气体层流适合于产生对粒子朝向外部逸出的障壁。
13.如权利要求12所述的装置(1)，其中所述密闭气体是空气。
14.如权利要求1或2所述的装置(1)，包括热交换元件(5)，在使用中工作流体在所述热交换元件(5)中流动且所述热交换元件(5)布置于所述可流体化固体粒子床(3)的所述热聚积区域(31)处。
15.一种热能生产设备(500)，包括：
如权利要求1至14中任一项所述的至少一个装置(1)，所述至少一个装置(1)用于储存和交换太阳源热能；以及
光学系统，所述光学系统构造成将入射太阳辐射聚焦于所述至少一个装置(1)的所述辐照开口(10)处，其中所述光学系统具有“向下聚束”构造，所述“向下聚束”构造包括布置于地面上的一个或多个初级光学元件(501)和布置于一定高度处的一个或多个次级反射光学元件(502)。
16.一种用于储存和交换太阳源热能的方法，所述方法使用如权利要求1至15中任一项所述的装置(1)或设备，
所述方法涉及使用光学系统以运用集中的太阳辐射来辐照可流体化固体粒子床(3)，
其中所述可流体化固体粒子床(3)容纳于壳体(2)中，所述壳体(2)设有构造成允许所述集中的太阳辐射进入的辐照开口(10)，所述开口(10)不具有关闭或遮蔽手段使所述可流体化固体粒子床(3)与外部环境直接连通，
其中所述可流体化固体粒子床(3)具有操作区域(30)和邻近于所述操作区域(30)的热聚积区域(31)，所述操作区域(30)直接曝露于穿进所述开口(10)的所述集中的太阳辐射，
其中根据在所述操作区域(30)中所获得的第一流体动力方案不同于在所述热聚积区域(31)中所获得的第二流体动力方案而流体化所述可流体化固体粒子床(3)，其中所述第一流体动力方案与所述第二流体动力方案基于不同流体化速度，
并且其中总体构造在使用中使得所述操作区域(30)的粒子从所述太阳辐射吸收热能，且所述操作区域(30)的粒子将热能给至所述热聚积区域(31)的粒子。
17.如权利要求16的方法，其中所述流体化涉及在所述操作区域(30)中形成中空容积(36)。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中所述流体化确定所述操作区域(30)内的至少两种不同流体化速度。
19.如权利要求16或17所述的方法，其中所述流体化确定所述操作区域(130)内的粒子的循环对流运动。
20.如权利要求16或17所述的方法，其中所述流体化确定所述操作区域(30)中的喷流类型的床方案。
21.如权利要求16或17所述的方法，其中所述流体化确定所述热聚积区域(31)中的沸腾床方案。
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