CN116348716A - 太阳能接收器 - Google Patents
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Abstract
一种用于以至少500的集中因子将太阳能辐射转换为热能的太阳能接收器。太阳能接收器包括吸热固体、流体系统和移动设备，流体系统提供靠近吸热固体的工作流体流，移动设备移动吸热固体，使得吸热固体的一个或多个表面周期性地暴露于入射太阳能辐射。入射太阳能辐射加热吸热固体的至少一部分，吸热固体的至少一部分进而加热靠近吸热固体的工作流体。吸热固体的至少一部分被配置为促进入射太阳能辐射的吸收，促进热量从吸热固体的至少一部分到工作流体的传递，促进吸热固体的至少一部分的冷却，或者促进其任何组合。
Description
本发明涉及用于吸收太阳能辐射并且将经吸收的太阳能辐射转换为热能的设备、这种设备的组件及其使用方法。更具体地，本发明涉及用于将太阳能辐射转换为热能的太阳能接收器。
集中式太阳能系统使用包括反射镜和/或透镜的一系列光学集中器将入射在大表面区域上的太阳光集中到可以利用能量的较小区域上。在商业应用中，光学集中器组通常位于支撑太阳能接收器的塔或桅杆附近。将光学集中器定位为使得它们将朝向吸收能量的塔的接收器反射入射的太阳能辐射，并且将其传递到系统以随后转换为电能。光学集中器通常装配有跟踪系统，该跟踪系统允许光学集中器相对于太阳的位置调整对准，以确保入射的太阳能辐射在一天中持续地被引向塔。电力塔布置和抛物面槽/沟式太阳能发电厂是集中式太阳能电站的最常见设计。
集中式太阳能系统中的接收器通常被划分为固体、液体和气体类型。原则上，太阳能辐射在接收器的固体、液体或气体介质中被转换为热能。然后，来自接收材料的热量通常经由诸如传导和/或对流的过程被传递到工作流体。然后，工作流体最终用在热力学循环中以产生功。在液体或气体接收器中，接收太阳能辐射的流体也可以用作工作流体。通常，接收器的吸收部分应该具有高吸收度，以便能够吸收尽可能大比例的入射太阳能辐射。为了避免疑问，如本文中描述的热能(thermal energy和heat energy)被认为表示相同形式的能量。
管状接收器是最常见的集中式太阳能接收器，并且通常利用包含导热流体的金属管。太阳能辐射被集中到管上，并且其中的流体变热。然后，由流体收集的能量可以用于包括发电的各种目的。熔盐系统以与管状接收器类似的方式运行。在熔盐接收器中，入射的太阳能辐射用于加热固体盐储层(reservoir)，然后当固体盐储层的温度升高到超过盐的熔点时，固体盐储层熔化。然后，熔盐可以流过标准的热交换系统以加热工作流体。熔盐被经常使用，因为如果储层被适当地隔热，则能够在熔盐中长时间存储热能。然后，在低光时段期间，诸如在夜间，可以利用经加热的熔盐储层。然而，在熔盐系统的使用中存在多个挑战，包括由大量高温液体引起的安全风险，由盐导致的组件腐蚀，在低光时段中盐的冻结，以及在运行条件期间经历的物质的相关联收缩和膨胀。
下落粒子接收器(falling particle receiver)，也被已知为固体粒子接收器，用可流动的固体粒子(诸如沙子)来代替熔盐。在下落粒子系统中，太阳能辐射通常被集中到粒子的流动幕帘上，该流动幕帘然后在重力作用下下落并且穿过标准的热交换系统以将它们的热能传递到工作流体。然后，粒子通常返回到接收器的顶部，以供在粒子幕帘中进一步使用。下落粒子系统经常遭受由涉及的材料带来的挑战，经加热的固体和工作流体之间的热传递的低效率，以及通过以连续方式传送大量固体材料带来的技术挑战。
基于气体的接收器将入射太阳能辐射聚焦到导热气体上，然后导热气体可以用于直接驱动涡轮机。基于气体的系统经常采用围绕吸收气体的蜂窝状和多孔结构来捕获额外的热辐射，该热辐射然后被传递到工作气体。基于气体的接收器倾向于遭受低吸收度，并且因此遭受低能量转换效率。
不管吸收介质如何，接收器都被设计为在太阳能辐射集中因子的特定范围内运行。太阳能辐射集中因子c被定义为入射在待加热的接收器的表面上的热通量(W/m2)除以从太阳到达系统的对应热通量。这有时被已知为“日照(insolation)”。集中因子对系统的效率具有直接影响，并且对于设计者来说，尝试最大化c是明智的意图。通常，集中式太阳能电站以大约20至100的c值运行，其中一些斯特林碟设计实现高达2000的c值。较大的c值表示增加的能量密度，增加的能量密度进而表示可以由接收器利用的较大的势能资源。增加集中式太阳能系统的c值将在接收器介质中引起更高的温度。接收器可以运行的最大c值因此受到接收器及其材料的耐热性的限制。例如，随着c值增加，可能实现超过1000℃的温度。在诸如熔盐系统的系统中，这种温度可能引起熔盐的热分解。因为结构钢可能在大约1400℃的温度下开始熔化，所以结构组件也可能因高c值而面临风险。在入射到接收器上的能量是可变的情况下，或者在系统在活动和非活动状态之间循环的情况下，接收器也可能因热膨胀和收缩对组件的影响而面临风险。
在高c值下，热通量可能特别激烈。例如，如果系统能够实现10,000的集中因子并且日照是1,600kW/m2，则太阳能收集器的表面处的热通量将是16MW/m2。这种高的热通量将在太阳能接收器内和太阳能接收器表面处产生大的温度梯度和极高的温度。这种高的温度和温度梯度将显著限制接收材料的寿命。高c值还可能引入额外的挑战，诸如随着c值增加而减少吸收效率，由于可以从系统的吸收表面带走能量的速率的限制而导致材料过热，以及随着系统的总能量增加由于辐射度而导致高热损失。
通常，入射到接收表面上的能量密度越大，接收器的寿命越短。辐射循环的平均热辐照度、辐照度的幅度、周期和暴露时间都可能影响构建接收器中使用的材料的长期性能。即使在20至100的典型c值下，接收器的吸收度也可能随着时间的推移而显著退化，从而导致接收器的热性能长期降低。此外，接收器是集中式太阳能发电厂的昂贵组件。据估计，太阳能接收器构成构建集中式太阳能发电厂的高达20％的初始资本成本。因此，期望避免或延迟替换性能退化的接收器的需要。
实际上，已建立的集中式太阳能发电厂设计仅可以通过它们的系统设计和它们使用的材料来利用有限的c值。较高的c值增加了太阳能接收器的理论效率，并且因此需要一种太阳能接收器，其允许高c值，同时避免本领域中已知的系统通常遇到的缺点。本发明的太阳能接收器解决了与使用高c值相关联的两个特定问题。可以与太阳能接收器一起使用的入射太阳能辐射的集中度经常受到吸收介质和吸收介质最终向其传递热量的流体之间的热传递效率的限制。此外，在高c值下，吸收效率可能较差，并且经由反射、发射效应或其它机制损失的能量的比例可能是显著的。
根据本发明，提供了一种如所附独立装置权利要求中所限定的用于将太阳能辐射转换为热能的太阳能接收器。在所附从属装置权利要求中限定了本发明的太阳能接收器的进一步优选特征。
本发明的一个方面提供了一种用于以至少500的集中因子将太阳能辐射转换为热能的太阳能接收器。太阳能接收器包括吸热固体、流体系统和移动设备，流体系统提供靠近吸热固体的工作流体流，移动设备移动吸热固体，使得吸热固体的一个或多个表面周期性地暴露于入射太阳能辐射。入射太阳能辐射加热吸热固体的至少一部分，吸热固体的至少一部分进而加热靠近吸热固体的工作流体。吸热固体的至少一部分被配置为促进入射太阳能辐射的吸收，促进热量从吸热固体的至少一部分到工作流体的传递，促进吸热固体的至少一部分的冷却，或者促进其任何组合。
根据本发明的进一步方面，太阳能接收器的吸热固体可以是转子。在吸热体是转子的情况下，移动设备可以旋转吸热固体。移动设备可以不在或可以基本上不在沿着转子的旋转轴线的方向上移动吸热体。太阳能接收器的吸热固体可以包括多个吸收元件。多个吸收元件中的每个吸收元件的至少一部分可以在使用中吸收入射太阳能辐射。多个吸收元件可以包括多个导管，进一步其中，吸热固体的至少一部分包括多个导管中的每个导管的外部，流体系统使得工作流体流过多个导管中的每个导管中的一个或多个流动路径。多个吸收元件可以包括多个固体吸收器，进一步其中，吸热固体的至少一部分包括多个固体吸收器中的每个固体吸收器的外部，并且流体系统使得工作流体流过多个固体吸收器中的每个固体吸收器的经加热的表面。吸收元件可以被布置为使得多个吸收元件中的第一吸收元件至少部分地遮挡多个吸收元件中的第二吸收元件，使得当太阳能接收器在使用中时，第二吸收元件的至少部分地被遮挡的部分不暴露于入射太阳能辐射。吸收元件可以被布置为使得多个吸收元件中的主吸收元件比多个吸收元件中的次吸收元件暴露于更大时间平均通量的太阳能辐射。多个吸收元件可以包括近吸收元件和远吸收元件，其中，近吸收元件被定位为靠近吸热固体的移动轴线，并且远吸收元件被定位为远离吸热固体的移动轴线。多个吸收元件可以被布置为使得入射到多个吸收元件中的至少一个吸收元件上的太阳能辐射的至少一部分朝向一个或多个另外的吸收元件的吸收表面反射或引导。多个吸收元件中的至少一个吸收元件可以由多个材料形成，使得多个吸收元件中的至少一个吸收元件的吸收表面在使用中在太阳能辐射入射到其上的表面区域上具有不同的太阳能吸收和/或反射性能。吸收入射太阳能辐射的多个吸收元件中的至少两个吸收元件的表面可以分别由具有不同的太阳能吸收和/或反射性能的材料形成。多个吸收元件中的至少一个吸收元件的表面形貌、形态或纹理可以不同于多个吸收元件中的另一个吸收元件的表面形貌、形态或纹理，使得吸收元件具有不同的太阳能吸收和/或反射性能。由入射太阳能辐射加热的吸热固体的至少一部分可以包括选择性吸收材料，该选择性吸收材料选择性地吸收入射太阳能辐射的波长光谱的一部分。吸收元件中的至少一个吸收元件的截面可以被配置为促进热量从吸收元件中的至少一个吸收元件的经加热的部分到工作流体的传递，促进从吸收元件中的至少一个吸收元件反射的经反射的入射太阳能辐射到另一个吸收元件的反射，和/或促进当太阳能接收器在使用中时入射太阳能辐射作为热量的吸收。截面可以被定义为吸收元件中的至少一个吸收元件在使用中与入射太阳能辐射一致的平面中的截面的周边形状。可以选择至少一个吸收元件的截面的第一尺寸和截面的第二尺寸的比率，以促进热量从吸收元件中的至少一个吸收元件的经加热的部分到工作流体的传递，促进从吸收元件中的至少一个吸收元件反射的经反射的入射太阳能辐射到另一个吸收元件的反射，和/或促进当太阳能接收器在使用中时入射太阳能辐射作为热量的吸收。吸收元件中的至少一个吸收元件的截面可以是椭圆形、泪珠形、子弹形或不规则形状。太阳能接收器可以进一步包括一个或多个光学布置，该一个或多个光学布置将入射太阳能辐射引导到吸热固体的至少一部分上。一个或多个光学布置可以被配置为形成入射到吸热固体上的一束太阳能辐射，进一步其中，该束太阳能辐射包括不同太阳能辐射集中度的截面区域。一个或多个光学布置可以被配置为将入射到一个或多个光学布置上的大于95％的太阳能辐射引导到吸热固体。一个或多个光学布置可以包括一个或多个反射镜、透镜、定日镜、反射器和/或复合抛物面集中器(CPC)。一个或多个光学布置可以以高达10,000的集中度将太阳能辐射集中到吸热固体上。入射太阳能辐射可以不均匀地加热吸热固体。吸热固体可以包括选自由锆、氧化锆和/或其金属陶瓷，溴化锆和/或其金属陶瓷，氧化铬和/或其金属陶瓷，氧化铝和/或其金属陶瓷，钼，钢，钢合金，钨，高折射率聚合物，诸如Pyromark 2500的耐高温吸收性黑色涂料，碳化硅或其组合组成的组中的材料。
现在将参考以下附图来描述本发明的实施例，其中：
图1是太阳能接收器的截面侧视图；
图2是图1的太阳能接收器的自上而下的截面视图；
图3是太阳能接收器的截面侧视图；
图4是图3的太阳能接收器的自上而下的截面视图；
图5A,5B,5C和5D是各种转子配置的自上而下的截面视图；
图6A,6B和6C是吸收元件的配置，诸如导管或固体吸收器；以及
图7A,7B,7C和7D是可以用在本发明的太阳能接收器中的各种导管或吸收器设计的截面。
在使用中，本发明的太阳能接收器的吸热固体由任何合适的驱动装置(诸如电动机、驱动带和/或驱动轮布置)驱动而移动和/或旋转。吸热固体暴露于各种集中度的太阳能辐射。在实践中，吸热固体从第一位置移动到第二位置，并且可以在回路、闭环中移动，通过360°完全地旋转，或者可以通过小于360°的旋转部分地旋转。吸热固体的移动或旋转方向可以是恒定的，或者替代地，吸热固体可以改变移动或旋转方向。这样，吸热固体可以前后移动或旋转，以在两个端部位置之间摇摆，这两个端部位置可以围绕旋转轴线。吸热固体可以在单个二维平面中移动和/或旋转，或者可以在移动和/或旋转的过程中移动和/或旋转通过多个平面。在单个二维平面中通过360度旋转在恒定方向上旋转吸热固体可能是有利的。
在太阳能接收器的吸热固体是转子并且移动设备至少部分地旋转吸热固体的实施例中，移动吸热固体使得其不沿着或基本上不沿着旋转轴线移动可能是有利的。在这种实施例中，移动设备不在或基本上不在沿着旋转轴线的方向上移动吸热体。因此，在一些实施方式中，吸热固体将在不沿着旋转轴线移动的情况下旋转。当与涉及旋转和沿着旋转轴线的两个方向的平移的运动相比时，由于运动的相当的机械简单性，吸热固体以单独的旋转方式移动可能是有利的。旋转吸热固体同时也沿着轴线平移吸热固体可能限制可以旋转吸热固体的最大速度和/或可能在吸热固体及其相关联系统上施加额外的或增加的机械应力。如果以该方式限制吸热固体的旋转速度，则旋转体将热量从入射太阳能辐射区域带走的能力随后会降低。该降低可能又使得吸热固体增加最大运行温度，这可能降低材料的寿命并且增加设备在高集中度太阳能辐射下失效的风险。因此，吸热固体以单独或基本上单独的旋转方式移动可以允许使用更大的旋转速度和增加的太阳能辐射集中度。
取决于预期的应用，太阳能接收器的吸热固体可以是任何合适的尺寸。与被采用在小型局部系统上的类似接收器相比，大型发电厂中的太阳能塔将需要更大的吸热固体。在实践中，吸热固体的尺寸由其所在装置的容量要求以及其所伴随的工作流体和传热系统的容量来确定。一般来说，吸热固体可以具有在1cm和10000cm之间的直径、宽度、长度或尺寸。优选地，吸热固体可以具有在50cm和2000cm之间的直径和/或长度。在其它优选示例中，吸热固体可以具有在2cm和500cm之间的直径和/或长度。在附加优选示例中，吸热固体可以具有在5cm和300cm之间的直径和/或长度。在吸热固体是以10,000c运行的1MW发电厂中的转子的一个特定示例中，可以利用高度大约35cm并且直径高达200cm的圆柱形转子。在吸热固体是以大约10,000c运行的50kW到1GW发电厂中的转子的另一特定示例中，可以使用高度和/或直径在50cm和2000cm之间的吸热固体。
本发明的太阳能接收器可以利用转子作为吸热固体。太阳能接收器中可以使用任何合适的转子设计，光可以被引导到转子的一个或多个表面，使得转子变热，并且使得转子可以移动或旋转，使得转子的经加热的部分可以通过在转子表面和合适的工作流体之间交换热量而被冷却。因此，设想了在本发明的范围内的许多替代转子设计。吸热固体可以包括多个吸收元件，由多个吸收元件形成，或者部分地由多个吸收元件形成。吸收元件可以是没有内部空洞或空腔的固体结构，可以是空心固体结构，诸如允许流体流过的导管，或者能够以热量形式吸收入射太阳能辐射的任何其它合适的固体元件。在使用中，多个吸收元件中的每个吸收元件的至少一部分(如果存在的话)在使用中吸收入射太阳能辐射。在示例中，多个吸收元件包括一个或多个导管。在该示例中，导管的外表面的至少一部分暴露于入射太阳能辐射，使得导管变热。流过导管的内部的工作流体将由于从导管的内表面到工作流体的热传递而变热。在该示例中，太阳能接收器的流体系统使得工作流体流过多个导管中的每个导管中的一个或多个流动路径，并且经加热的工作流体被带走以被利用。在另一示例中，多个吸收元件包括不具有允许工作流体流过的内部空腔、空隙空间或空洞部分的一个或多个固体吸收器。在该示例中，吸收器的外表面的至少一部分暴露于入射太阳能辐射，使得吸收器变热。流体系统使得工作流体流过多个固体吸收器中的每个固体吸收器的经加热的外表面，使得热量从吸收器被传递到工作流体。然后，经加热的工作流体被带走以被利用。
图1示出了可以与本文中描述的太阳能接收器一起使用的转子10的截面示意性表示。转子10由基本上为盘形的两个主体部分1,2形成。在实践中，主体部分可以是任何合适的形状，虽然在一些实施方式中利用盘形主体部分以便于旋转可能是有利的。主体部分1,2基本上是空心的，使得工作流体可以经由第一主体部分中的入口3流入第一主体部分1并且流出第二主体部分2中的出口4。被定位在第一主体部分1和第二主体部分2之间的是表示转子10的吸收元件的多个导管5。导管可以是任何合适的形状，包括但不限于截面为正方形或矩形，具有圆形或椭圆形截面的管状，或者根据需要更复杂的截面形状。导管围绕盘形主体部分1,2的圆形面的外周外围布置，使得导管5将第一主体部分1连接到第二主体部分2。所得到的配置近似为圆柱形笼的形状，其中，入口3和出口4在每个主体部分的与导管5所连接的一侧相对的一侧上从相应的第一主体部分2和第二主体部分3延伸出去。导管5基本上是空心的，并且与第一主体部分1和第二主体部分2中的每一个的空心区域流体连通。在使用中，工作流体因此可以经由入口3流入转子进入第一主体部分1的空心部分，通过多个导管5流入第二主体部分2的空心部分，然后通过出口4流出。太阳能辐射6可以经由一个或多个光学布置被引导朝向多个导管5中的一个或多个导管的表面。在示例中，太阳能辐射可以从一个或多个光学布置被引导穿过外壳中的槽(未示出)，转子驻留在该外壳中，使得入射到转子10上的光被引导朝向大于、等于或小于单个导管5的一侧的表面积的表面积。入射到导管5的表面上的太阳能辐射6将使得导管的表面变热。在使用中，转子10在方向7上旋转，使得多个导管5中的每个导管将周期性地变得暴露于太阳能辐射，并且因此进而变热。工作流体通过转子10并且越过多个导管5的经加热的内表面，使得热量从转子表面被传递到工作流体，从而冷却转子并且加热工作流体。一旦被冷却，由于转子10的旋转移动，多个导管5中的每个导管将最终被带回到经由入射太阳能辐射6受到进一步加热的位置。导管可以围绕转子主体的周边以任何合适的布置被定位。在示例中，导管可以被定位为使得当转子正在旋转并且入射太阳能辐射将在转子的近侧上的两个导管之间通过时，由于太阳能辐射通过最靠近太阳能辐射源的两个导管之间的间隙，另一导管将暴露于转子的远侧上的太阳能辐射。
图2示出了图1的转子沿平面9的自上而下的截面表示。图2展示了一种配置，其中，入射太阳能辐射6的宽度8大于单个导管5的宽度和/或直径。通过导管5A的任一侧的入射太阳能辐射6穿过太阳能转子并且至少部分地被导管5B吸收。虽然图2仅示出了示意性表示，但是受益于本公开的技术人员将理解的是，导管可以被定位为使得入射太阳能辐射将不能够在不接触至少一个导管的情况下通过整个转子。根据需要，额外的导管可以被定位为远离盘形转子体的圆周周边，并且靠近盘形转子体的圆形表面的中心。在其它示例中，太阳能辐射可以经由任何合适的装置从多个方向被引导朝向转子80。受益于本公开的技术人员将进一步理解的是，本文中公开的包括诸如图1和2的转子中所示的导管布置的吸热固体可以用固体笼布置代替，其中，太阳能辐射被吸收到吸收元件的表面上，该吸收元件包括一个或多个固体吸收器，该固体吸收器被定位在与一个或多个导管的位置等同的位置。在吸收元件在这种设计中包括一个或多个固体吸收器的情况下，由吸收元件吸收的热量被传递到流过转子的一个或多个吸收表面的工作流体。进一步的转子设计可以通过使得工作流体流过转子的一个或多个导管同时还将热量传递到流过转子的外吸收表面的至少一部分的工作流体来组合这两个概念。
如果太阳能辐射集中度和旋转速度在使用中保持恒定，则图1和2的转子布置将随着时间的推移使得每个导管暴露于相同的时间平均太阳能通量。然而，可能有利的是使得吸热固体的不同部分或每个导管(如果存在的话)暴露于不同集中度或强度的入射太阳能辐射，使得由吸热固体的不同部分、单独的导管或多个导管经历的时间平均通量是不同的。为了该目的，吸收表面的布置或导管的位置可以被配置为使得吸收表面或导管的不同部分暴露于不同量的太阳能辐射，并且因此被加热到不同程度。为了这些目的，吸收元件可以被布置为使得多个吸收元件中的第一吸收元件至少部分地遮挡多个吸收元件中的第二吸收元件，使得当太阳能接收器在使用中时，第二吸收元件的至少部分地被遮挡的部分不暴露于入射太阳能辐射。吸收元件可以附加地或者替代地被布置为使得多个吸收元件中的主吸收元件比多个吸收元件中的次吸收元件暴露于更大时间平均通量的太阳能辐射。多个吸收元件可以进一步附加地或者替代地包括近吸收元件和远吸收元件，其中，近吸收元件被定位为靠近吸热固体的移动轴线，并且远吸收元件被定位为远离吸热固体的移动轴线。此外，多个吸收元件可以附加地或者替代地被布置为使得入射到多个吸收元件中的至少一个吸收元件上的太阳能辐射的至少一部分朝向一个或多个另外的吸收元件的吸收表面反射。将特别参考图3至5来进一步描述包括以这些方式中的一个或多个方式配置的吸热固体的太阳能接收器。
图3示出了转子20形式的吸热固体的截面侧视图，转子20具有多个导管，这些导管被配置为使得不同导管可以受到不同量的入射太阳能辐射。转子20由基本上为盘形的两个主体部分21,22形成。主体部分21,22基本上是空心的，使得工作流体可以经由第一主体部分中的入口23流入第一主体部分21并且流出第二主体部分22中的出口24。被定位在第一主体部分21和第二主体部分22之间的是多个导管25。导管25将第一主体部分21连接到第二主体部分22。导管基本上以星形被布置到第一主体部分21和第二主体部分22上，使得所得到的配置近似为两个盘形体之间的星形笼。入口23和出口24在每个主体部分的与导管25所连接的一侧相对的一侧上从相应的第一主体部分21和第二主体部分22延伸出去。导管25基本上是空心的，并且与第一主体部分21和第二主体部分22中的每一个的空心区域流体连通。在使用中，工作流体因此可以经由入口23流入转子进入第一主体部分21的空心部分，通过多个导管25流入第二主体部分22的空心部分，然后通过出口24流出。太阳能辐射6可以被引导朝向多个导管25中的一个或多个导管的表面。图4是图3的太阳能接收器沿平面29的自上而下的截面表示。如图4中所示，在星形布置的导管25的每个外点中的每个导管将在不同程度上“看见”入射太阳能辐射。例如，在图4的布置中，导管25A将受到比导管25B更大比例的宽度28的入射太阳能辐射6，导管25B进而将受到比导管25C更大比例的入射太阳能辐射。因此，随着图3和4的转子20被旋转，每个导管将周期性地暴露于太阳能辐射6并且变热，虽然程度不同。因此，随着转子20旋转，对于任何相邻的一对导管25，由每个导管25经历的时间平均太阳能通量是不同的和/或不均匀的。
利用太阳能接收器的内部容积，和/或将太阳能接收器的吸收元件定位在基本上不朝向主体部分的外边缘或圆周的位置，允许包括额外的吸收元件。包括额外的吸收元件可以增加可用于吸收入射太阳能辐射的吸热固体的表面积。此外，包括额外的吸收元件可以增加与向其传递热量的一个或多个工作流体流接触的吸热固体的表面积，因此增加可以从吸热固体带走能量的速率并且增加太阳能接收器的冷却潜力。对于给定的入射太阳能辐射通量，因为能量在更大的表面积上被吸收，所以由每个单独的吸收元件吸收的能量因此可以降低。然而，一些材料在低温下展示出改进的吸收度，并且在吸热固体上维持较低的平均温度可以导致太阳能辐射的吸收效率的改进。当与增加的冷却效率的潜力组合时，这些考虑可以允许采用这些设计原理的太阳能接收器在不超过构建材料的耐热性的情况下以较高的入射太阳能辐射集中度c运行。
图5A,5B,5C和5D示出了采用这些原理的三个进一步的自上而下的截面转子设计30,40,50,60。图5A的布置示出了星形转子设计的变型，其中，吸收元件35被布置为使得宽度为单个吸收元件的吸收元件行被布置为形成八角星。图5B的布置示出了转子配置，其中，四个凹半圆形布置的吸收元件45被布置为朝向转子主体的中心围绕十字形布置的吸收元件45。图5C的布置示出了转子配置，其中，基本上平行的吸收元件55的行被布置为跨过转子主体。图5D的布置示出了转子，其中，吸收元件65的布置以与图1和2中所示的类似布置被布置为围绕转子主体的圆周部分，但是其中，额外的吸收元件65被布置在由围绕圆周定位的吸收元件形成的笼状结构的内部容积中。技术人员将理解的是，当转子在使用中时，取决于吸收元件相对于形成吸热固体的其它吸收元件的位置，这些配置的吸收元件将暴露于不同量的入射太阳能辐射。每个布置的一个或多个吸收元件将遮挡一个或多个其它吸收元件的至少一部分，使得一些吸收元件的部分可以被完全遮挡，使得当转子运行时这些部分不经历入射太阳能辐射。可以使用吸收元件的多个进一步的配置和布置来提供具有大的可用表面积的布置，用于吸收入射太阳能辐射和/或用于将经吸收的热量传递到流过或跨过吸热固体的工作流体。
吸热固体的经加热的部分和工作流体之间的热传递的速率和/或效率通常和与工作流体流接触的经加热的材料的接触表面积有关。高的热传递速率通常需要更高的表面积。在吸热固体是包括多个吸收元件的转子的设计中，在固定尺寸的转子中增加吸收元件的数量提供了一种可以增加该表面积的手段。然而，在固定区域中增加吸收器或导管的数量通常涉及使用较小的吸收元件。在吸收元件是导管的情况下，较小的导管通常将增加整个工作流体系统的压力损失或压降。增加圆柱形导管的直径会指数地降低压降，并且导管尺寸的小幅降低可能导致压降的显著增加。增加的压力损失进而通过增加使得工作流体流过接收器所需的功来减少太阳能接收器的效率。诸如图3至5中的那些，利用更大比例的太阳能接收器容积的吸热固体的布置允许更多更大直径的吸收元件被封装在一起。因此，这种吸热固体可以具有被配置为促进吸热固体的经加热的部分和工作流体之间的接触并且减少整个工作流体系统的压降的截面。
在正常运行条件下，吸热固体可能暴露于高工作温度。在示例中，取决于待采用的热集中因子，吸热固体可能暴露于超过2500℃的温度。因此，吸热固体可以至少部分地由能够承受高温的折射材料形成。吸热固体可以包括具有超过或等于1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃、2200℃、2300℃、2400℃、2500℃或多于2500℃的熔点的材料。优选地，吸热固体可以包括具有超过1500℃的熔点的材料。更优选地，吸热固体可以包括具有超过2000℃的熔点的材料。在涉及高光集中值的集中式太阳能应用中，由具有超过2500℃的熔点的材料形成吸热固体可能是特别有利的。利用能够吸收大部分紫外、可见和/或红外光谱的光的材料也可能是有利的。还具有高折射率的材料可以促进在吸热固体的表面吸收太阳能，因此是特别有益的。因此，吸热固体可以由具有大于或等于0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.0、1.1、1.2、1.25、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.75、1.8、1.9或2的折射率的材料形成。优选地，吸热固体材料可以具有大于1的折射率。更优选地，吸热固体材料可以具有大于1.5的折射率。利用具有大于2的折射率的材料可能是有利的。可以选择用于形成吸热固体的一个或多个材料，使得它们具有选自上面列出的熔点和折射率的熔点和折射率。例如，合适的材料可以具有1700℃的熔点和1.3的折射率。在另一示例中，可以选择一个或多个材料，使得它们具有2300℃的熔点和1.9的折射率。合适的材料可以包括陶瓷、高折射率聚合物(HRIP)、金属、金属氧化物、合金、无机化合物、耐热有机化合物以及单独或组合的任何其它合适材料。由钢、钢合金、陶瓷、锆、钼或具有近似黑体的合适特性的任何材料形成吸热固体可能是特别有利的。还应该选择具有足够耐压的材料，以确保吸热固体能够承受移动和/或旋转期间作用在其上的力。用于形成吸热固体的材料可以有利地包括具有高太阳能吸收度的材料。例如，材料可以具有超过或等于0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95、0.96、0.97、0.98或0.99的太阳能吸收度。
吸热固体或其上聚焦太阳能辐射的吸热固体的部分可以由高熔点折射材料形成和/或至少部分地涂覆有高熔点折射材料。因此，吸热固体可以包括一个或多个涂层。涂层可以至少部分地由一个或多个材料形成，这些材料具有本文中被识别为适于形成吸热固体的熔点和/或折射率特性。因此，涂层可以包括和/或由具有超过或等于1000℃、1100℃、1200℃、1300℃、1400℃、1500℃、1600℃、1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃、2200℃、2300℃、2400℃、2500℃或多于2500℃的熔点的材料形成。涂层可以附加地或者替代地包括和/或由具有大于或等于0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.0、1.1、1.2、1.25、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.75、1.8、1.9或2的折射率的材料形成。涂层可以具有如本文中描述的熔点特性、折射率特性和/或太阳能吸收度特性。在示例中，图1至4的转子中的一个或多个导管的至少一部分可以涂覆有一个或多个材料。通常，根据需要，其上将入射太阳能辐射的吸热固体的一个或多个表面可以由所选材料形成以赋予吸热固体有益的性能。必要时，材料或涂层可以围绕吸热固体的外周延伸、延伸穿过吸热固体的整个外表面或者覆盖吸热固体的选定部分。材料或涂层的期望性能可以包括高折射率、高太阳能吸收度、选择性太阳能吸收度、高耐热性和机械强度的性能。特别地，期望利用具有高太阳能吸收度的材料或涂层。进一步期望利用具有高耐热性的材料或涂层，使得该材料在高集中度的太阳能辐射下不会退化或损坏。还进一步期望利用具有高机械强度的材料或涂层，使得在使用太阳能通量设备期间，该材料不会由于材料或涂层的高速移动而损坏或退化。在示例性实施例中，材料和/或涂层将包括近似黑体吸收器的材料，以最大化吸收的太阳能辐射的比例。例如，材料和/或涂层可以具有超过或等于0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95、0.06、0.97、0.98或0.99的太阳能吸收度。优选地，材料和/或涂层可以具有超过0.8的太阳能吸收度。更优选地，材料和/或涂层可以具有超过0.90或0.95的太阳能吸收度。在这些或其它示例中，材料和/或涂层可以具有超过1000℃的熔点。优选地，材料和/或涂层可以具有超过1200℃的熔点。更优选地，材料和/或涂层可以具有超过1300℃的熔点。也可以使用具有超过1500℃的熔点的材料。用于吸热固体或涂层的合适材料包括陶瓷、金属陶瓷、氧化锆、锆类、钽类、硼硅酸盐、硅类、碳基材料、金属、金属氧化物、合金以及单独或组合的任何其它合适材料。在使用涂层材料的情况下，本身可能具有不合适的太阳能吸收度的基底材料(诸如不锈钢或镍铬合金)可以支持合适吸收性能的涂层材料。由以下材料形成涂层可能是特别有利的：耐热黑色涂料(例如，可从TempilCorporation获得的Pyromark 2500)；溴化锆；氧化锆和/或其锆金属陶瓷；氧化铬，和/或其镍或铬金属陶瓷；氧化铝，和/或其镍、钼和钨金属陶瓷；氮化铝和/或其钛金属陶瓷；碳化硅；或其任何组合。用于形成一个或多个涂层的材料也可以用于形成吸热固体本身的至少一部分。类似地，在使用与涂层材料不同的材料形成吸热固体的示例中，用于形成吸热固体的材料可以用于在吸热固体上形成涂层的至少一部分。
下面表1中提供了可以用于形成吸热固体或其上的涂层的一些合适材料的性能。
表1用于太阳能接收器的材料的性能
| 材料 | 太阳能吸收度 | 红外发射度 | 熔点 |
| Pyromark 2500 | 0.97 | 在1000℃下0.9 | 1000-2000℃ |
| ZrB2 | 0.93 | 在102℃下0.09 | ～3200℃ |
| Zr:ZrO2 | 0.96 | 在80℃下0.05 | ～2700℃ |
| Cr:Cr2O3 | 0.868 | 在121℃下0.088 | ～2400℃ |
| Ni:CrOx | 0.961 | 在100℃下0.022 | ～1400℃ |
| SiC | ≥0.9 | - | ～2700℃ |
| Ni:Al2O3 | 0.94 | 在100℃下0.18 | ～2000℃ |
| Mo:Al2O3 | 0.97 | 在350℃下0.17 | ～2000℃ |
| W-Ni:Al2O3 | 0.9 | 在500℃下0.15 | <2000℃ |
| W:Al2O3 | 0.95 | 在400℃下0.106 | <2000℃ |
| Ti:AlN | 0.95 | 在82℃下0.07 | <1000℃ |
在吸热固体被涂覆的实施例中，涂层可以是任何合适的厚度。例如，涂层可以具有在吸热固体的直径、宽度、长度或其它尺寸的约0.1％至约99％之间的厚度。优选地，涂层将具有在吸热固体的厚度的约1％和75％之间的厚度。有利地，涂层可以覆盖或至少部分地覆盖吸热固体的长度、宽度或直径的2％至50％。
包括涂层的吸热固体可以具有由不适合用于未涂覆的吸热固体的材料(诸如铅或具有不合适的光学性能的材料)形成的主体。在这种情况下，涂层提供吸热固体吸收和传递热量所需的热和光学功能，同时在使用耐热性差的材料的实施方式中还保护吸热固体的主体免受由于暴露于高集中度的太阳能辐射和高温而导致的损坏。可以将吸热固体涂层与吸热固体的主体分开或脱离，以允许单独修理或替换一个或两个组件。例如，涂层材料可以以一个或多个可移除板、片或瓦的形式存在。
因此，可以选择用于形成吸热固体的吸收元件和/或其上的涂层的材料，使得其中吸收表面的不同部分经历不同时间平均太阳能通量的吸热固体可以利用吸热固体的每个部分上的入射能量的差异。因此，太阳能接收器可以被配置为使得吸收入射太阳能辐射的至少两个吸收元件的表面由具有不同的太阳吸收和/或反射性能的材料形成。例如，其上入射更大量太阳能辐射的吸热固体的部分可以由具有与其上入射更少量太阳能辐射的吸热固体的部分不同的吸收度的材料形成。因此，吸收度的差异可以允许每个吸收部分的最大温度维持在期望的温度范围内，以防止吸收器过热。参考图4的示例，导管25A可以经历比导管25B经历的太阳能通量更大的太阳能通量。因此，导管25A可以由具有比导管25B更低的吸收度的材料形成，或者至少部分地涂覆有具有比导管25B更低的吸收度的材料。在已知c的最大值的太阳能接收器中，吸收体上的入射能量、吸收材料的吸收度、材料的热容以及从经加热的材料到工作流体的热传递的速率可以用于确定吸热固体上的不同吸收元件的最大运行温度，这进而可以告知太阳能接收器中使用的材料的选择。因此，太阳能接收器可以以最高可能的c值运行，同时减少经历最大入射能量的吸收体的部分将过热的风险。继续图4的示例，导管25B和25C可以由具有比导管25A更大的吸收度的材料形成，或者涂覆有比导管25A更大的吸收度的材料。因为导管25B和25C将各自受到比导管25A更少的入射太阳能辐射，所以导管25B和导管25C因此可以吸收比导管25A更大比例的入射到相应导管上的能量，而没有过热的风险。附加地或者替代地，吸热固体的吸收部分可以由一个或多个具有不同热性能的材料形成。例如，回到图4的示例，导管25A可以由有助于高速率地将经吸收的热量从吸收材料传递到流过导管的工作流体的材料形成。由这种材料形成吸收器的至少一部分将允许工作流体以较高的速率带走热量，因此将吸收器的温度维持在期望的范围内。接收较少入射太阳能辐射的导管25B和25C不必由允许快速地将热量传递到工作流体的材料形成，因为管25B和25C在使用中可能不会被加热到与管25A相同的程度。
使用具有选择性吸收性能的材料或涂层也可能是有利的。太阳能辐射跨越从大约100nm到1mm的波长，并且可以选择仅吸收辐射的该波长范围的一部分、多部分或全部的材料。具有选择性吸收性能的材料也可以具有选择性或有限的辐射度特性。因此，吸热固体的至少一部分可以包括选择性吸收材料，该选择性吸收材料选择性地吸收入射太阳能辐射的波长光谱的一部分。在示例中，在太阳能辐射波长光谱的至少一部分中具有高太阳能吸收度的材料可能是红外辐射的不良发射体，这将因此在太阳能辐射的吸收之后限制来自该材料的辐射损失。因此，可以选择用于形成接收器的吸热部分和/或其上的涂层的材料，以吸收高比例的入射太阳能辐射，并且将经吸收的太阳能辐射保持为热量，而仅具有有限的与辐射度有关的损失。可以提供高吸收度和低辐射度的材料包括钨、半导体金属、金属-电介质堆叠或复合物、晶体结构、超材料等。在一些实施方式中，吸热固体的不同吸收表面或吸收表面的不同部分可以由具有不同吸收度、选择性和/或辐射度的材料形成或者涂覆有具有不同吸收度、选择性和/或辐射度的材料。以该方式，吸收器的表面可以被配置为促进入射太阳能辐射的最佳吸收，使得热能被有效地吸收和/或在吸收之后被有效地传递到工作流体。
在这些原理的扩展中，吸热固体的单个吸收元件的不同部分可以至少部分地由具有不同吸收度、反射度、辐射度、机械强度、耐热性和/或任何其它合适性能的不同材料形成。因此，吸热固体的至少一个吸收元件可以由多个材料形成，使得吸收元件的吸收表面在使用中在太阳能辐射入射到其上的表面区域上具有不同的太阳能吸收和/或反射性能。图6A,6B和6C示出了可以利用不同材料形成导管或吸收器的配置的一些示例。图6A示出了内部流体流动路径79穿过其中的圆柱形导管75。导管75具有堆叠以形成导管75的三个圆柱形子部分76,77,78，其中，每个圆柱形子部分包含流体流动路径79的一部分。任何两个子部分76,77,78或每个子部分可以由具有不同性能的材料形成。在示例中，在使用中，圆柱形子部分77可以受到比圆柱形部分76或78更大的入射太阳能通量。因此，用于形成子部分77的材料的吸收度和耐热性可以选择为分别不同于子部分76或78的材料的吸收度和耐热性。在另一示例中，圆柱形子部分可以由使得材料的吸收度在使用中沿着流过流体流动路径79的流体的流动方向增加、降低或以其它方式变化的材料形成。沿着流动路径改变材料性能可以允许优化太阳能接收器的一个或多个特性。例如，如果假设流体从圆柱形子部分76流过图6A的导管到达圆柱形子部分78，则在最靠近流体入口的部分76中形成导管的材料可以选择为具有高吸收度和传热性能，使得吸收器或导管的储存最大部分热能的部分随着工作流体进入流动路径而与工作流体的最冷部分接触，因此促进热能从具有最大储存热能的吸收器部分最大程度地传递到工作流体中。替代地，可以选择形成导管75的圆柱形子部分76,77,78的材料，使得吸收度沿着流体流动的方向增加，使得工作流体随着其流过导管而与温度逐渐增加的导管的子部分接触。图6B示出了流体流动路径89穿过其中的圆柱形导管85。与图6A的布置相反，图6B的导管由子部分86,87,88形成，每个子部分形成圆柱形导管85的圆周的不同部分。导管85的每个子部分或任何两个子部分可以由具有不同性能的材料形成。在示例中，在将更大量的太阳能辐射引导到子部分87上而不是引导到相邻子部分86,88上的转子配置中，具有最大时间平均入射太阳能通量的子部分87可以由具有高耐热性的材料形成。在一些转子配置中，吸收元件的部分可能不受到大量的入射太阳能辐射。这尤其可能是其中多个吸收元件被定位为紧密接近使得一个吸收元件遮挡另一个吸收元件的一部分的情况。因此，将不受到高集中度入射太阳能辐射的吸收元件的部分可以由具有较差吸收性能但是具有一个或多个进一步期望性能的材料形成。回到图6B的示例，如果子部分86和子部分87在使用中不直接暴露于太阳能辐射，则它们可以由具有高热传导的材料形成，使得存储在子部分87中的热能围绕导管的圆周被带走，以减少由子部分87经历的最大温度，同时通过在与工作流体接触的导管的较大表面积周围分配热能来促进热量传递到工作流体。
图6A和图6B的原理可以组合，以提供具有围绕吸收器或导管的圆周以及沿着导管的流体流动路径(如果存在的话)的不同性能的材料的吸收器或导管。图6C示出了具有这种布置的导管95。导管95用由子部分96,97,98形成的导管壁的不同部分包围内部流动路径99。任何数量的子部分可以由不同的材料形成，以优化导管的性能。例如，子部分97可以由具有比用于形成子部分96或子部分98的材料更大的吸收度、更大的耐热性、更低的辐射度或更低的反射度的材料形成。可以使用比图6A,6B和6C中所示的那些更复杂的材料布置。例如，吸收元件可以包括任何数量的材料子部分，由任何数量的材料子部分形成，或者涂覆有任何数量的材料子部分。虽然在图6B的导管75的示例中仅示出了三个子部分，但是在由图6A,6B和6C示例的吸收元件中可以使用任何数量的子部分。此外，吸收器或导管可以包括具有变化性能梯度的材料，由具有变化性能梯度的材料形成，或者涂覆有具有变化性能梯度的材料，使得在具有不同性能的材料之间没有清楚的或明显的界限。受益于本公开的技术人员将能够识别材料的合适布置以优化吸收元件的期望性能，包括但不限于优化吸收效率、热量传递到工作流体的效率等。因此，在吸收元件或吸收元件的部分经历不同的时间平均太阳能通量的转子配置中，吸热固体可以被配置为通过选择不同材料以形成吸收器或导管的不同部分来有利地利用由吸热固体的吸收元件的每个部分经历的不同太阳能通量。
虽然图6A,6B和6C主要参考工作流体流过其中的导管进行描述，但是与这些附图有关的所述原理同样适用于没有内部流体流动路径的吸收元件，诸如可以用在工作流体流过吸收器的表面以促进热量传递的太阳能接收器中的那些吸收元件。因此，在图6A至6B的示例中，流体流动路径79,89,99可以替代表示固体材料芯，其中，子部分76,77,78,86,87,88,96,97,98表示围绕固体材料芯被定位的吸收材料或涂层。
为了避免疑问，在包括多个吸收元件的太阳能接收器设计中，每个吸收元件或任何两个吸收元件可以由不同的材料形成，可以由以不同配置布置的材料形成，或者其任何组合。以该方式，相对于图6A至6C描述的原理可以与相对于图3至5描述的太阳能接收器设计的原理组合。在示例中，图4的导管25A可以被配置为具有沿着导管的长度和围绕导管的圆周布置的子部分，该子部分具有如相对于图6C的导管90示出和描述的各种性能。在该示例中，导管25B和/或导管25C可以被配置为仅具有周向子部分，诸如相对于图6B示出和描述的的那些。
吸热固体可以进一步包括热绝缘材料。绝热体可以被定位为保护太阳能接收器的一个或多个组件免受过高的温度。为该目的，热绝缘材料可以作为太阳能接收器的任何两个组件之间的层存在。例如，绝热体可以被定位在吸热固体的一个或多个吸收表面和中心旋转轴(如果存在的话)之间。热绝缘材料可以附加地或者替代地被定位为保护特定组件免受高温。当使用涂覆的吸热固体时，绝热体可以有利地被定位在涂层和吸热固体的主体之间。附加地或者替代地，绝缘材料可以以板或瓦的形式存在。该板或瓦可以具有与用在吸热固体的吸收部分上的板或瓦(如果存在的话)相同或不同的尺寸。绝缘材料的板和瓦可以彼此互锁，和/或与吸收或涂覆材料的板或瓦(如果存在的话)互锁。通常，绝缘材料可以防止热量从吸收太阳能辐射的吸热固体表面以及具有较低耐热性的太阳能接收器组件(诸如与吸热固体相关联的移动和/或旋转装置)通过。因此，绝热体可以防止热量从吸热固体表面散失，并且提供保护太阳能接收器组件免于由于暴露于过高温度而退化的额外益处。绝热体可以是任何合适的厚度。例如，绝热体可以具有在吸热固体的直径、宽度、长度或尺寸的约0.1％至约200％之间的厚度。优选地，绝热体将具有在吸热固体尺寸的约1％和50％之间的厚度。有利地，绝热体可以包括吸热固体的直径的2％至40％。合适的绝缘材料包括陶瓷、耐火材料、增强碳材料、绝缘耐热聚合物及其组合。
吸热固体可以被配置为高速移动或旋转。在吸热固体是转子的情况下，转子可以被配置为以0.1转/分钟(rpm)和20,000rpm之间的速度旋转。优选地，转子可以被配置为以25rpm和10,000rpm之间的速度旋转。更优选地，转子可以被配置为以60rpm和6,000rpm之间的速度旋转。通常，占据近似圆柱形容积的吸热固体转子将围绕旋转轴线旋转，该旋转轴线可以穿过由转子占据的近似圆柱形容积的圆形截面的中心点，或基本上穿过中心点。在图1至5的示例中，旋转轴线穿过入口3,23和出口4,24的中心并且穿过盘形主体部分1,21,2,22的圆形面的中心点。在运行中，吸热固体的移动速度可以由运行者手动调节。有利地，吸热固体的移动速度可以附加地或者独立地响应于入射能量、系统温度的测量或任何其它合适的测量而被自动控制。例如，转子的旋转速度可以响应于入射到转子上的更高密度的太阳能而增加，并且响应于入射到转子上的太阳能的降低而降低，例如，维持由转子的任何部分经历的近似恒定的最大温度。替代地或者附加地，转子的旋转速度可以响应于太阳能接收器的一个或多个组件的温度的增加或降低而增加或降低。在实践中，转子的速度可以响应于由可通信地耦接到控制系统的一个或多个传感器进行的一个或多个测量来调节。吸热固体的高速移动减少了吸热固体暴露于高集中度太阳能辐射的持续时间，并且允许根据需要管理温度和限制材料的热退化。
其上待接收太阳能辐射的吸热固体的涂覆或未涂覆的表面可以基本上是光滑的。光滑的表面可以减少抑制吸热固体的移动的摩擦阻力。然而，取决于吸热固体的吸收部分的表面处的材料，基本上光滑的表面可以促进入射太阳能辐射的反射。因此，吸热体的吸收表面是粗糙的、基本上不光滑的或具有复杂的形貌可能是有利的。例如，吸热固体的吸收表面可以是多孔的、有凹坑的、有轮廓的或者以其它方式具有不规则的不光滑的形貌。不规则的表面可以被配置为促进表面和入射太阳能辐射之间的有利相互作用。例如，有凹坑的表面可以通过鼓励在表面形貌本身内的漫反射而起到俘获光的作用，从而导致任何经反射的光被引导朝向吸热固体的表面的其它区域。多孔表面可以具有比可比较的光滑表面更大的表面积，因此允许高集中度的入射光在更大的有效表面积上被吸收。存在于较大表面上的热能随后可以被更有效地传递到流过吸热固体的表面的工作流体。表面形貌可以具体被配置为通过包括翅片、辐射元件或类似的结构特征，跨过吸热固体的表面来促进热量从吸热固体的表面到工作流体的传递。例如，在使用多孔材料的情况下，工作流体可以有利地通过吸热固体的孔，以改进热量从吸热固体的表面到工作流体的传递。吸热固体的表面性能和/或形貌可以通过修改材料的形态，并且更具体地通过修改用在吸热固体的吸收部分中的材料的表面形态来进一步控制。在示例中，可以使用激光刻蚀技术(诸如直接飞秒激光处理)来配置吸热固体的表面结构。这种技术可以在吸收器的表面上形成纳米级结构，该纳米级结构增加吸收材料的吸收度或减少吸收材料的辐射度。也可以使用其它技术(诸如磨蚀技术、水刻蚀、气体或气相沉积、颗粒沉积或任何其它合适的技术)来修改吸收器的表面性能。以该方式修改材料的表面性能可以允许控制吸收选择性，诸如由材料吸收的太阳能辐射的波长范围。因此，吸热固体的至少一个吸收元件的表面形貌、形态或纹理可以不同于多个吸收元件中的另一个吸收元件的表面形貌、形态或纹理，使得吸收元件具有不同的太阳能吸收和/或反射性能。单个吸收元件的不同子部分(诸如图6A,6B和6C中示例的那些)的表面形貌、形态或纹理也可以被区分以优化单个吸收元件的各种性能和行为。
吸热固体的吸收元件可以被成形为影响或促进入射太阳能辐射的吸收、向靠近或通过吸热固体流动的工作流体传递热量的效率和/或将任何经反射的太阳能辐射引导到太阳能接收器中的另一吸收表面。图7A,7B,7C和7D示出了可以用在诸如图1至5中所示的转子设计的太阳能接收器中的各种吸收元件设计的截面。虽然由于圆形截面能够承受高压和有利的内部流动动力学，已知具有基本上圆形的截面的圆柱形导管(诸如图7A中所示的导管110)是有利的，但是使用非圆形截面的吸收元件也可能是有利的。图7B示出了椭圆形截面的导管120。入射到导管120的吸收表面上的太阳能辐射6可以部分地被反射为经反射的太阳能辐射116。经反射的太阳能辐射116被反射的角度117可以至少部分地取决于入射太阳能辐射6与导管120的表面相互作用的角度。如图7A和7B中所示，导管的截面形状和/或其形貌因此可以影响入射太阳能辐射6被反射的角度117。因此，采用一个或多个非圆形截面的吸收元件以促进太阳能辐射朝向转子的其它吸收表面的反射可能是有利的。图7C示出了导管130，其中，尖头截面部分从原本圆形截面的导管突出。使用具有近似图7C的截面的吸收元件既可以影响入射太阳能辐射6被反射为经反射的太阳能辐射116的角度117，也可以附加地或者替代地增加可用于吸收入射太阳能辐射或将经吸收的热量传递到工作流体的表面积。相对于具有一个或多个等同截面尺寸但是具有不同形状的吸收元件，诸如图7A和7B中的那些，可以理解这种增加。取决于太阳能接收器的期望功能，可以利用其它截面形状或形貌。在示例中，图7D中所示的具有子弹形截面的导管140可以有助于在太阳能接收器设计中更紧密地封装吸收器或导管，其中，多个这种吸收器或导管紧密相邻。吸收器或导管的更紧密的封装可以增加可用于吸收入射太阳能辐射的总表面积。因此，应该理解的是，入射太阳能辐射被反射的角度、可用于吸收太阳能辐射或将热量传递到工作流体的表面积、可以被布置在太阳能接收器的给定容积中的吸收器或导管的数量或者吸收器或太阳能接收器的任何其它有关性能可以通过修改太阳能接收器的一个或多个吸收器或导管的截面形状、面积和/或形貌来影响。因此，吸热固体的吸收元件、吸收元件的截面和/或吸收元件中的至少一个吸收元件在使用中与入射太阳能辐射一致的平面中的截面的周边形状可以被配置为促进热量从吸收元件中的至少一个吸收元件的经加热的部分到工作流体的传递，促进从吸收元件中的至少一个吸收元件反射的经反射的入射太阳能辐射到另一个吸收元件的反射，和/或促进当太阳能接收器在使用中时入射太阳能辐射作为热量的吸收。此外，吸收元件的截面的第一尺寸和吸收元件的截面的第二尺寸的比率因此可以被选择为促进热量从吸收元件中的至少一个吸收元件的经加热的部分到工作流体的传递，促进从吸收元件中的至少一个吸收元件反射的经反射的入射太阳能辐射到另一个吸收元件的反射，和/或促进当太阳能接收器在使用中时入射太阳能辐射作为热量的吸收。吸收元件的截面可以是圆形、椭圆形、泪珠形、梨形、子弹形或不规则形状。
在包括多个吸收元件的太阳能接收器中，诸如图1至5中所示的那些，任何两个吸收元件可以具有不同的截面面积或形貌，以优化经反射的光通过接收器的路径、可用于吸收太阳能辐射的吸收器的总表面积和/或可用于将热量传递到工作流体的经加热的材料的总表面积。因此，可以组合使用不同截面形状和表面积的吸收元件，以增加太阳能接收器的效率。受益于本公开的技术人员将进一步理解的是，各种截面形状的导管可以与相对于图6A,5B和6C示出和描述的由一个或多个不同性能的材料形成的导管结合使用。虽然图7A,7B,7C和7D一般地描述了一个或多个导管，但是其截面形状和所得功能同样适用于不具有通过其的流动路径的吸收器。在这些示例中，具有近似图7A至7D的导管的截面的吸收元件可以替代包括其上具有任选涂层的任何合适截面的固体芯。使用这种吸收器的太阳能接收器可以使得工作流体流过吸收器的一个或多个经加热的表面，以将热量传递到工作流体。
在通常使用中，入射到吸热固体上的太阳能辐射经由太阳能通量光学器件和/或被定位为靠近吸热固体的一个或多个光学布置被引导朝向吸热固体。该光学布置将太阳能辐射引导到吸收入射太阳能辐射的至少一部分作为热能的吸热固体的表面上。工作流体流过或靠近吸热固体的吸收表面。工作流体的温度通常将低于吸热固体的吸收部分，并且因此热量将从吸热固体的表面被传递到工作流体。一个或多个光学布置可以是允许太阳能辐射被引导朝向并且被聚焦到吸热固体的期望表面上的光学组件的任何合适的配置。例如，光学布置可以包括一个或多个反射镜、透镜、棱镜、定日镜、反射表面或任何其它合适的光学组件。利用复合抛物面集中器(CPC)作为一个或多个光学布置的至少一个组件可能是有利的。光学布置可以附加地或者替代地包括一个或多个光管。太阳能接收器或其中太阳能接收器是其一部分的更宽泛的系统可以包括任何数量的光学布置。在存在多个光学布置的情况下，将太阳能接收器的光学布置围绕吸热固体定位，使得吸热固体和每个近侧光学组件之间的距离和角度通常等同可能是有利的。以这种方式隔开光学布置可以允许吸热固体的一个或多个表面随着吸热固体移动而被一致地加热，只要经由多个光学布置中的每个光学布置通过相当集中度的太阳能辐射。在包括多个光学布置的太阳能接收器中，光学布置可以被配置为根据需要各自将太阳能辐射聚焦到类似或不同表面积的吸热固体的表面的不同部分上。在吸热固体被至少部分地包含在壳体内的太阳能接收器中，来自一个或多个光学布置的太阳能辐射可以通过壳体中的至少一个孔被引导到吸热固体的吸收部分上。该孔可以包括透镜或光学组件，该透镜或光学组件被配置为将通过该孔的光引导朝向吸热固体的表面上的特定位置。将太阳能辐射引导到吸热固体表面的特定区域可以允许光在吸热固体的区域中被转换为热量，随后在该区域中被最有效地传递到工作流体。一些配置可以在不使用中间光学布置的情况下允许光直接从太阳能通量光学器件传递到吸热固体。在这些示例中，入射到诸如CPC的太阳能通量光学器件上的光可以被直接引导到吸热固体上。
一种有利的配置提供了将所有入射光、基本上所有入射光或主要比例入射光引导到移动的吸热固体上的光学布置。在这种配置中，只有将被加热以与工作流体进行最终热交换的太阳能接收器的表面将是移动的吸热固体的一部分。在该示例中，没有光被引导到形成太阳能接收器的固定或不可移动的固体上。该布置防止具有高c值的入射光将固定的固体加热到超过耐热点。因此，通常，本文中公开的太阳能接收器基本上将所有入射光聚焦到移动的吸热固体上，并且防止或基本上最小化由形成接收器的固定固体材料对光的吸收。在示例中，太阳能接收器将被配置为经由入射光仅加热移动的吸热固体。太阳能接收器可以被配置为防止入射光加热固定的固体材料。为了避免疑问，术语“主要比例”可以大于50％、大于60％、大于70％、大于80％、大于90％、大于95％或大于99％。
一个或多个光学布置可以将太阳能辐射不均匀地引导到吸热固体的吸收部分的表面上，使得吸热固体由入射太阳能辐射不均匀地加热。因此，太阳能接收器可以包括一个或多个光学布置，该一个或多个光学布置被配置为形成入射到吸热固体上的一束太阳能辐射，其中，该束太阳能辐射包括不同太阳能辐射集中度的截面区域。在示例中，朝向入射太阳能辐射束的中心的太阳能辐射的集中度可以具有比入射太阳能辐射束的外部更高的能量密度。在另一示例中，入射太阳能辐射束的一个或多个偏心部分可以具有比入射束的其余部分更高的能量密度。以该方式使用光学布置来形成非均匀束可以赋予太阳能接收器一个或多个优点。在示例中，将更大比例的太阳能辐射引导朝向最靠近工作流体流的最冷部分的吸热固体的吸收部分可以改进从吸热固体到工作流体流的热量传递的效率。以该方式控制入射太阳能辐射可以进一步防止吸热固体的吸收部分过热。此外，将太阳能辐射引导到吸热体的表面上，使得工作流体流与吸收器的升高的温度接触，可以改进被传递到工作流体流的热能的总量。在该示例中，工作流体随着它沿着工作流体流动路径流动而将逐渐升高温度。如果入射太阳能辐射被引导为使得沿着流动路径流动的工作流体暴露于逐渐升高的温度，则随着工作流体靠近或通过吸收器流动，它所达到的最高温度将增加。在替代示例中，光学布置可以被配置为减少沿着工作流体的流动路径的吸收元件上的通量。工作流体温度将沿着流动路径增加，并且减少沿着流动路径的入射能量可以提供整个吸热固体的更均匀的温度。将光学布置配置为使得具有复杂能量分布的一束太阳能辐射被引导朝向太阳能接收器的吸收部分可能是有利的。复杂的布置可以通过将吸收器的不同部分加热到不同程度来优化从吸收器到工作流体的能量传递效率、吸收表面的最大工作温度以及吸收器对入射辐射的吸收效率。这种变型可以通过使用一个或多个光学布置来实现，该一个或多个光学布置被配置为将不同量的入射太阳能辐射集中到太阳能接收器的不同部分上。应该理解的是，在整个入射束的入射束不同部分中提供变化能量强度的入射太阳能辐射的一个或多个光学布置的配置可以有利地与被配置为利用不同幅度的入射能量的吸热固体的一个或多个吸收表面组合。在示例中，图6A至6C的吸收器或导管可以与一个或多个光学布置组合，以将受控集中度的太阳能辐射引导到吸收器或导管的不同子部分。以该方式，材料的吸收度、反射度和辐射度可以与由吸热固体的每个部分经历的太阳能辐射的集中度的额外控制组合，以促进能量的有效吸收、能量到工作流体的有效传递、有效冷却或者太阳能接收器的任何其它期望标准。
为了进一步减少能量损失，太阳能接收器可以进一步包括一个或多个清除器(scavenger)或收集管道，以最小化来自太阳能接收器的边缘的热量损失。在运行中，太阳能接收器中和周围的空气可能变热。任何残留的或损失的热空气可以通过这种管道回收，以便回收和以其它方式利用废热。清除器或收集管道可以赋予太阳能接收器的冷却组件额外的益处，包括具有比其上入射太阳能辐射的吸热固体部分更低的耐热性的那些冷却组件。
流过或跨过太阳能接收器的吸热固体的工作流体将通常为液体或气体的形式。期望的工作流体将表现出足够的热容和热传递性能，以允许储存在吸热固体体中的大比例热能被传递到工作流体并且由工作流体带走。由于它的热特性、易于获得、低成本和不需要维持闭路流动之间的平衡，空气可能是优选的工作流体。然而，对于材料对氧化退化或与水反应敏感的太阳能接收器的一些配置，空气可能不适合。替代工作流体可以根据需要赋予改进的热量传递或其它优点。合适的工作流体的示例包括空气、蒸汽、氦气、二氧化碳等。取决于容纳太阳能接收器的更宽泛的系统的配置，利用特定的工作流体可能是特别有利的。例如，在没有显著的额外修改的情况下，二氧化碳工作流体将允许经加热的流体传递到超临界二氧化碳布雷顿涡轮机。工作流体可以根据需要以闭路或开路的方式流动。
太阳能接收器还可以包括或可通信地耦接到控制系统以及可通信地耦接到控制系统的一个或多个传感器。可能期望测量入射到接收器上的太阳能辐射和/或接收器的一个或多个组件的温度，使得可以调节接收器的运行以确保有效和最佳的运行条件。例如，温度传感器可以被定位为靠近或连接到吸热固体组件。如果吸热固体的温度达到预定水平，则可以增加吸热固体的移动速度，或者替代地可以使得多个光学布置中的一个光学布置(如果存在的话)失效，以减少入射到吸热固体上的太阳能辐射。类似地，一个或多个光传感器可以被定位在光学布置和/或吸热固体中或者围绕光学布置和/或吸热固体。当检测到入射光的增加时，控制系统可以使得吸热固体的移动速度增加，以防止在吸热固体的一个或多个吸收表面上达到过高的温度。当传感器检测到入射太阳能辐射的集中度降低时，吸热固体的移动速度可以根据需要由控制系统减慢。控制系统可以附加地或者替代地响应于由一个或多个天气预报提供者提供的天气数据来调节吸热固体的移动速度。
许多太阳能接收器受到聚焦在由太阳能接收器的吸热部分占据的相对较小的容积区域上的高集中度太阳能辐射的组合的限制。因此，本发明的太阳能接收器克服了与热量传递效率、过高的温度和有限的冷却以及太阳能辐射的吸收效率有关的限制。特别地，这些限制可以通过组合本文中描述的两个或更多个原理来克服。在示例中，有效地利用吸热固体的整个容积以提供用于吸收的高表面积的吸热固体可以与截面形状(例如椭圆形形状)的多个吸收器组合使用，以产生与通过或跨过吸收器的工作流体流接触的经加热的吸收材料的更大截面。
可以使用计算机建模方法(诸如射线跟踪)来预测随着移动吸热固体将暴露于太阳能辐射的吸热固体部分。这种建模还可以预测随着时间的推移将由吸热固体的每个部分吸收或反射的太阳能辐射的相对集中度。因此，可以预测太阳能接收器的每个部分的最大工作温度，并且修改接收器的配置及其构建材料，使得通过应用本发明的原理，接收器以可接受的工作温度阈值运行。
所提供的示例的特征通常可以以与本发明的方法和太阳能接收器设备一致的任何技术上适当的方式来组合。因此，在不包括太阳能接收器的情况下，本发明的太阳能接收器可以以高达或超过500、600、700、750、800、900、1000、1100、1200、1250、1300、1400、1500、1600、1700、1800、1900、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500或10000的太阳能辐射集中度运行。在特定的示例中，本发明的太阳能接收器可以以高达10000的太阳能辐射集中度运行。受益于本公开的技术人员将能够识别合适的接收器配置、光学布置和材料，以允许如本文中公开的太阳能接收器以特定的太阳能辐射集中度运行。本发明范围内的额外修改对于受益于本公开和所附权利要求的本领域技术人员将是显而易见的。
Claims (24)
1.一种用于以至少500的集中因子将太阳能辐射转换为热能的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器包括：
吸热固体；
流体系统，所述流体系统提供靠近所述吸热固体的工作流体流；以及
移动设备，所述移动设备移动所述吸热固体，使得所述吸热固体的一个或多个表面周期性地暴露于入射太阳能辐射；
其中：
所述入射太阳能辐射加热所述吸热固体的至少一部分，所述吸热固体的所述至少一部分进而加热靠近所述吸热固体的所述工作流体；以及
所述吸热固体的所述至少一部分被配置为：
(i)促进入射太阳能辐射的吸收；
(ii)促进热量从所述吸热固体的所述至少一部分到所述工作流体的传递；
(iii)促进所述吸热固体的所述至少一部分的冷却；或者促进
(iv)促进其任何组合。
2.根据权利要求1所述的太阳能接收器，其特征在于：
所述吸热固体是转子；以及
所述移动设备旋转所述吸热固体。
3.根据权利要求2所述的太阳能接收器，其特征在于，所述移动设备不在或基本上不在沿着旋转轴线的方向上移动所述吸热体。
4.根据权利要求1、2或3所述的太阳能接收器，其特征在于，所述吸热固体包括多个吸收元件，并且所述多个吸收元件中的每个吸收元件的至少一部分在使用中吸收入射太阳能辐射。
5.根据权利要求4所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多个吸收元件包括一个或多个导管，进一步其中：
所述吸热固体的所述至少一部分包括所述多个导管中的每个导管的外部；以及
所述流体系统使得工作流体流过所述多个导管中的每个导管中的一个或多个流动路径。
6.根据权利要求4或5所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多个吸收元件包括多个固体吸收器，进一步其中：
所述吸热固体的所述至少一部分包括所述多个固体吸收器中的每个固体吸收器的外部；以及
所述流体系统使得工作流体流过所述多个固体吸收器中的每个固体吸收器的经加热的表面。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述吸收元件被布置为使得所述多个吸收元件中的第一吸收元件至少部分地遮挡所述多个吸收元件中的第二吸收元件，使得当所述太阳能接收器在使用中时，所述第二吸收元件的至少部分地被遮挡的部分不暴露于入射太阳能辐射。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述吸收元件被布置为使得所述多个吸收元件中的主吸收元件比所述多个吸收元件中的次吸收元件暴露于更大时间平均通量的太阳能辐射。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多个吸收元件包括近吸收元件和远吸收元件，其中，所述近吸收元件被定位为靠近所述吸热固体的移动轴线，并且所述远吸收元件被定位为远离所述吸热固体的所述移动轴线。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多个吸收元件被布置为使得入射到所述多个吸收元件中的至少一个吸收元件上的太阳能辐射的至少一部分朝向一个或多个另外的吸收元件的吸收表面反射。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多个吸收元件中的至少一个吸收元件由多个材料形成，使得所述多个吸收元件中的所述至少一个吸收元件的所述吸收表面在使用中在太阳能辐射入射到其上的表面区域上具有不同的太阳能吸收和/或反射性能。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，吸收入射太阳能辐射的所述多个吸收元件中的至少两个吸收元件的所述表面由具有不同的太阳能吸收和/或反射性能的材料形成。
13.根据权利要求4至12中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述多个吸收元件中的至少一个吸收元件的表面形貌、形态或纹理不同于所述多个吸收元件中的另一个吸收元件的所述表面形貌、形态或纹理，使得所述吸收元件具有不同的太阳能吸收和/或反射性能。
14.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，由入射太阳能辐射加热的所述吸热固体的所述至少一部分包括选择性吸收材料，所述选择性吸收材料选择性地吸收入射太阳能辐射的波长光谱的一部分。
15.根据权利要求4至14中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述吸收元件中的至少一个吸收元件在与入射太阳能辐射一致的平面中的截面的周边形状被配置为：
(i)促进热量从所述至少一个吸收元件的经加热的部分到所述工作流体的传递；
(ii)促进从所述至少一个吸收元件反射的经反射的入射太阳能辐射到另一个吸收元件的反射；
(iii)促进当所述太阳能接收器在使用中时入射太阳能辐射作为热能的吸收；或者
(iv)促进其任何组合。
16.根据权利要求15所述的太阳能接收器，其特征在于，所述至少一个吸收元件的所述截面的所述周边形状的第一尺寸与所述截面的所述周边形状的第二尺寸的比率被选择为：
(i)促进热量从所述至少一个吸收元件的经加热的部分到所述工作流体的传递；
(ii)促进从所述至少一个吸收元件反射的经反射的入射太阳能辐射到另一个吸收元件的反射；
(iii)促进当所述太阳能接收器在使用中时入射太阳能辐射作为热能的吸收；或者
(iv)促进其任何组合。
17.根据权利要求15或16所述的太阳能接收器，其特征在于，所述截面为椭圆形、泪珠形、梨形、子弹形或不规则形状。
18.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述太阳能接收器进一步包括一个或多个光学布置，所述一个或多个光学布置将入射太阳能辐射引导到所述吸热固体的所述至少一部分上。
19.根据权利要求18所述的太阳能接收器，其特征在于，所述一个或多个光学布置被配置为形成入射到所述吸热固体上的一束太阳能辐射，进一步其中，所述一束太阳能辐射包括不同太阳能辐射集中度的截面区域。
20.根据权利要求18或19所述的太阳能接收器，其特征在于，所述一个或多个光学布置被配置为将入射到所述一个或多个光学布置上的大于95％的太阳能辐射引导到所述吸热固体。
21.根据权利要求18、19或20所述的太阳能接收器，其特征在于，所述一个或多个光学布置包括一个或多个反射镜、透镜、定日镜、反射器和/或复合抛物面集中器(CPC)。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述一个或多个光学布置以高达10,000的集中度将太阳能辐射集中到所述吸热固体上。
23.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述入射太阳能辐射不均匀地加热所述吸热固体。
24.根据前述权利要求中任一项所述的太阳能接收器，其特征在于，所述吸热固体包括选自由锆、氧化锆和/或其金属陶瓷，溴化锆和/或其金属陶瓷，氧化铬和/或其金属陶瓷，氧化铝和/或其金属陶瓷，钼，钢，钢合金，钨，高折射率聚合物，诸如Pyromark 2500的耐高温吸收性黑色涂料，碳化硅或其组合组成的组中的材料。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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