CN1304795C - 中央太阳能接受器 - Google Patents

Abstract

一种太阳能接受器，包括一轴对称的外壳，具有前端和后端并在前端有一孔；一安装在孔中与外壳同轴的细长管状窗口，一设置在所述外壳中并围绕和沿细长窗口延伸、用于吸收已从中穿过的太阳能射线的容积太阳能吸收器，以及形成在外壳中的工作流体入口和出口，以能使工作流体与容积吸收器相互作用的方式分别向其喷射和从其排出一加压工作流体。窗口具有一安装在外壳前端的开口前端及一邻近外壳后端设置并与没有任何安装的闭合后端。

Description

中央太阳能接受器

技术领域

本发明涉及一种中央太阳能接受器，尤其涉及一种用在这样一种接受器中、用于使集中的太阳能射线进入并通过的窗口。

本发明具体针对一种中央太阳能接受器，包括一个带有一太阳能吸收器的外壳，吸收器可以在高温下—通常500℃以上吸收集中的太阳能射线，而且一种工作流体在其中循环与太阳能吸收器间接或直接进行热交换。这种太阳能接受器的外壳设有一个孔，孔位于一太阳能射线集中系统的焦点区中，并固定一个窗口，可以使来自集中系统的高度集中的太阳能射线进入并将其传向太阳能吸收器。

背景技术

用于上述中央太阳能接受器中的太阳能吸收器通常使一种容积太阳能吸收器，构造成具有三维列阵的形式，使工作流体可以从中流过，从而将热量传给工作流体。这种太阳能接受器例如在IL 97091和US5,323,764中描述。

用于中央太阳能吸收器中的工作流体通常或者起热载体流体的作用、或者设计成可以在工作流体的各种成分之间进行热感应的、可以被催化的热化学反应。

对于各种工业应用例如用于发电的汽轮机的操作或特定种类的热化学反应的进行，必须使工作流体可以在至少约2个大气压的高压下通过系统循环。在这样一个高压下，循环的气态工作流体的密度大于在未加压的状态下的密度，由此在循环过程中压力损失降低。

涉及具有一个窗口的加压中央太阳能接受器的最关键的问题在于窗口的机械强度。具有所需光学和热特性的材料很脆，这样尽管这些材料可以承受较大的压应力，但在甚至很小的拉应力下容易断裂或碎裂。窗口中的应力由接受器内部中的气体压力产生，并且当还可以由窗口以及与其接触的接受器的其他部件在操作过程中温度升高时由不均匀的热膨胀产生。

US 5,323,764和US 5,421,322公开了一种中央太阳能接受器，带有一个窗口，窗口具有一个截头圆锥形并具有一个直径较大的开口前端和一个直径较小的开口后端，两个开口端都形成有圆柱形前、后支圈，窗口的前、后端在支圈处安装在外壳上。外壳的前端设有一个环形定位槽，而窗口的前支圈承接在其中并且由一个O形环安装在此。窗口的后支圈安装在一个金属块中，金属块特别包括热膨胀吸收波纹管和一个反射件，可以保护金属块以及波纹管免受进入窗口的集中的太阳能射线影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的用于一太阳能接收器的窗口和一新的使用所述窗口的太阳能接收器。

根据本发明的一个方面，提供了一种太阳能接受器，包括：

-一个轴对称的外壳，具有前端和后端并在前端具有一个孔；

-一个安装在所述孔中与外壳同轴的细长管状窗口，窗口具有一个安装在所述外壳前端上的开口前端以及一个邻近外壳的后端设置并与其没有任何安装的闭合后端，窗口具有一个面向入射的集中的太阳能射线的第一表面以及一个面向外壳内部的第二表面；

-一个设置在所述外壳中并围绕和沿所述细长窗口延伸、用于吸收已经从中穿过的太阳能射线的容积太阳能吸收器；

-形成在所述外壳中的工作流体入口和出口，用于以一种能使工作流体与所述容积吸收器相互作用的方式分别向其喷射和从其排出一种加压工作流体。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于上述类型的中央太阳能接受器中的窗口，用于使入射的高度集中的太阳能射线通过并进入接受器中，所述窗口具有一个细长的管状形状，带有一个可以安装在接受器的所述孔中的开口前端和一个没有任何安装装置的闭合后端。

本发明的窗口的设计以及其在中央太阳能接受器中仅在其前端安装在窗口的安装方式简化了接受器的设计，并且避免窗口的过多的限制，从而使其可以用在高温和高压下。

窗口最好是截头圆锥形，其开口前端直径较大而其闭合后端直径较小。但是，窗口可以具有其他细长的轴对称形状，例如一个圆柱形，在此情况下其前端可以设有一个直径比窗口其余部分大的支圈。

最好，窗口的前端由弹性安装装置例如弹簧加载夹具安装在外壳上，弹性安装装置长期在窗体上施加保持窗口到位的轴向力并防止当接受器工作时在热和压力循环中在施加到其上的压力作用下窗口发生移动。

最好，窗口的小直径闭合后端为一个盖状凹入表面，与窗口的圆锥表面连续一体结合。闭合后端的形状以及窗体的截头圆锥形确保来自外壳中的施加到窗口上的任何压力产生竖直和沿窗口表面作用的分力，这样只产生压应力而不产生会使窗口断裂的拉应力。

最好，工作流体入口位于与其同轴的外壳的后端附近，以面向所述窗口的闭合端。而且最好一个另外的太阳能吸收器安装在外壳中位于工作流体入口和窗口的闭合端之间，以便吸收通过闭合端的集中的太阳能射线。从而可以在与所述的容积太阳能吸收器相互作用之前保护工作流体入口免受集中的太阳能射线的直接穿射，并对其进行预热。所述另外的太阳能吸收器也可以是一种容积太阳能吸收器。

附图说明

为了理解本发明并看出其实际工作情况，下面参照附图以示例性的方式描述一个优选实施例，其中：

图1是本发明的一个中央太阳能接受器的一个剖视图；而

图2是图1中的接受器A区的一个放大图。

具体实施方式

图1示出本发明的一个中央太阳能接受器，它设计成可以与一个太阳能射线集中系统(未示出)相连，并且包括一个具有纵轴X的金属外壳1，一个其中带有一个孔4面向被集中的太阳能射线的前端3，一个后端6以及外侧壁8。接受器还包括一个安装在孔4中与外壳1同轴的细长管形窗口10，窗口可以调整成使高度集中的太阳能射线从太阳能射线集中系统进入，而且可以经受高温。为此，窗口可以由任何具有所需光学和热特性的常规材料制成，例如凝熔石英。

窗口10具有一个开口的直径较大的前端11、一个闭合的直径较小的后端12以及一个位于两者之间的截头圆锥形窗体13，其中第一表面16面向入射的集中的太阳能射线而第二表面18面向外壳1的内部。窗体13具有一个圆形的横截面形状，但此形状可以是任何其他所需的类型。而且，窗体可以是圆柱形，其中直径较大的前端为一个支圈的形状。如果需要，窗口10可以是一个双层玻璃的类型，在内、外玻璃之间有一个间隙。

窗口10只由其直径较大的端部11固定在外壳1中，如图2清楚可见，端部11在外壳1的前端3处安装在孔4中。外壳的前端3设有一个环形槽20，环形槽20具有一个带有一环形密封件22的槽底和一个槽侧壁24。窗口的大直径端部11由多个沿外壳的孔4的周面设置的可调节的弹簧加载的安装装置(在图2中只示出一个)安装在环形槽20中。每个安装装置包括一个蘑菇形夹具，具有一个偏心头部41和一个带有一个裙边43的支柱42。夹具40的头部41具有一个圆锥面，以适应窗口10的截头圆锥窗体13的轮廓，并且头部衬有一个软陶瓷带44，可以与窗口接触而不会对其损坏。夹具40的裙边43保持在一个第一螺旋弹簧45和一个由第二弹簧48加压的凸缘46之间。通过绕夹具的轴线转动夹具直到偏心头部41的带44仅靠在窗体13的第二表面18上则可以完成夹具的设置，从而在窗口10上施加一个合适的压力，而弹簧45和48设计成可以长期保持这种压力。由于窗体的圆锥形状，此压力产生一个轴向力，将窗口推向环形槽20底部的密封件22，以保持窗口到位并防止当接受器工作时在热和压力循环过程中在作用在其上的力的作用下窗口发生移动。

窗口的闭合小直径后端12为一个盖形表面，可以光滑地与窗口的截头圆锥体13接合为一体。由于小直径端12不带有任何的安装装置，其盖形表面可以具有任何需要的形状，例如可以是凹形的、球形或非球形的，或者甚至可以是平的。

接受器还包括一个绕窗口10的截头圆锥体13延伸并面向截头圆锥体13的第一管状容积吸收器50，以及一个设置在外壳1的后部并面向窗口10的闭合端12的第二盘形容积冲溢型太阳能吸收器52。吸收器50和52与窗口10的第二表面18一起限定了一个接受器腔53。

第一管状容积吸收器50具有一个截头圆锥形底座54，带有一系列彼此间隔开并从底座54的一个侧面向窗口10伸出的销钉状吸收件56。但是，吸收器50可以是其他任何适当的设计。例如，可以不是截头圆锥形，而是可以为多面体的棱柱，圆柱形，抛物线形，椭圆形，或其他形状。吸收件56的销钉状结构并非很重要，而是可以使用其他合适的结构，例如杆、中空的圆柱管、截锥体、平板等。

第二容积吸收器52可以具有与针对吸收器50所述相似的设计，区别在于吸收器52的底座体应该穿有孔或设计成使一种工作流体可以从中经过。它也可以是任何其他合适的类型，例如蜂窝形、筛形、线网形、泡沫形等。吸收器52的平行的盘状形状不是很重要，也可以采用其他的适当的形状。例如，吸收器52可以是圆顶形，可以具有一个不带有平行表面的盘形，盘带有孔等。

每个吸收器50，52由任何适当的热阻材料制成，例如一种陶瓷材料、覆盖有陶瓷的金属合金、碳化硅、铝一种特殊类型的不锈钢、镍合金等。

接受器还包括一种位于外壳的后端6处与其同轴的工作流体入口导管58，用于使工作流体进入接受器腔53中。导管58具有一个横向尺寸大于窗口的闭合端12的漏斗形入口59。上述第二容积吸收器52最好安装在漏斗形入口59中，从而确保可以保护导管58避免在窗口的闭合端12受渗透窗口的集中的太阳能射线的影响，以及保证在工作流体被喷入接受器腔53之前由小接受器52预热到一个特定的程度。

接受器还包括一个围绕漏斗形入口59的工作流体环形出口腔60，其中一个环行出口孔62位于大容积太阳能吸收器50的背后，而一个管状出口通道64用于使工作流体从接受器腔53离开。

用于本发明的中央太阳能接受器的工作流体最好是一种气体，例如空气，可以在高温(大约500℃或更高)和至少大约2个大气压的高压下在接受器腔53中循环。工作流体可以是任何适当的可以起去除太阳能接受器中产生的热量的热载体作用的类型。除此之外或作为代替，工作流体可以包括两种或多种成分的混合物，当与热的太阳能接受器接触时彼此发生反应，即进行热化学过程。在后一种情况下，容积接受器50的伸出件56可以涂敷有一种适当的催化剂。

应该理解，加压工作流体的入口和出口的几何尺寸不是必须如上所述，而是可以修改以满足特定的设计需求。

外壳1还包括一种绝缘材料，此材料填充外壳1的外壳外壁8和第一容积吸收器50的底座54之间的所有空间，并且还围绕入口导管58、出口通道64以及环形出口腔60。

在工作中，集中的太阳能射线经过窗口10的大直径端11进入。大部分射线穿过窗口的截头圆锥体13并撞击到第一容积太阳能吸收器50的吸收件56上。没有穿过窗体13的入射太阳能射线穿过窗口的闭合后端12并撞击第二容积太阳能吸收器52。太阳能吸收器50和52从而被加热。

加压的工作流体经过入口导管58和其漏斗形入口59被喷射到接受器中，在其中流体流过第二容积吸收器52并从而在进入接受器腔53之前被加热到某种程度。在经过第二吸收器52后，工作流体向着并沿窗口的闭合端12流动，并进一步沿窗口10的截头圆锥体13流动，从而窗口沿其表面都得到冷却。用上述具有一种双层玻璃设计的窗口可以得到同样的效果，其中工作流体沿玻璃之间的间隙流动，在窗口的内层玻璃中在窗口的前、后端设置适当的流体通道。

在到达与外壳的前端3相邻的接受器腔53的区域后，工作流体返回并流过吸收器50与其系列吸收件56相交，其中工作流体被加热和/或进行一种吸热化学反应。热的工作流体和/或反应产物进一步经过出口孔62进入环形出口腔60中并经过出口通道64排出，例如用于操作发电汽轮机。

在工作过程中，相对于接受器外壳窗口10的任何运动由弹簧加载安装装置30抵消。任何接受器部件的任何不论对称还是不对称的热膨胀都不会传递给窗口10，因为窗口10只设置在大直径端11处。

应该理解，上述实施例只是用于本发明的一个中央太阳能接受器和一个用于其中的窗口的一个示例，本发明由权利要求限定的范围完全覆盖对本领域技术人员显而易见的其他实施例。

Claims (14)

1.一种中央太阳能接受器，包括：

外壳，该外壳具有对称的纵轴和沿该纵轴间隔开的前端和后端，以及在前端具有一孔；

安装在所述孔中与外壳同轴的管状窗口，该窗口具有一安装在所述外壳的前端上的开口前端、一邻近所述外壳的后端设置并与其没有任何安装的闭合后端、以及一沿所述轴在所述窗口的前端和后端之间延伸的细长窗口本体，所述窗口具有一个面向入射的集中太阳能射线的第一表面和一个面向所述外壳的内部的第二表面；

设置在所述外壳中的容积太阳能吸收器，该容积太阳能吸收器围绕并且沿所述窗口延伸，用于吸收从中穿过的太阳能射线；以及

形成在所述外壳中的工作流体入口和工作流体出口，用于以一种能使工作流体与所述容积太阳能吸收器相互作用的方式分别向该外壳内喷射和从中排出加压的工作流体，其中，所述工作流体入口设置在邻近所述外壳的后端并与其同轴，并且面向所述窗口的闭合后端。

2.如权利要求1所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述窗口的前端通过围绕所述外壳中的孔设置的弹性安装装置安装在外壳上。

3.如权利要求2所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述安装装置是弹簧加载夹具。

4.如权利要求1所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述窗口的闭合后端具有盖状凹入弧形形状，该盖状凹入弧形形状连续地与所述窗口本体融合在一起。

5.如权利要求1所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述窗口的闭合后端是平的。

6.如权利要求5所述的中央太阳能接受器，其特征在于，还包括一个另外的安装在外壳中位于所述工作流体入口和所述窗口的闭合后端之间的太阳能吸收器。

7.如权利要求6所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述另外的太阳能吸收器具有大于所述窗口的闭合后端的横向尺寸，这样可以吸收穿过所述闭合后端的集中太阳能射线。

8.如权利要求7所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述另外的太阳能吸收器具有可以使流自所述入口的工作流体从中经过的通道。

9.如权利要求8所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述入口为具有前端漏斗的导管形式，所述另外的太阳能吸收器安装在所述漏斗中。

10.如权利要求9所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述另外的太阳能吸收器通常为盘状。

11.如权利要求1所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述窗口具有一个截头圆锥体。

12.如权利要求1所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述窗口具有一个圆柱体，其中，所述窗口的开口前端为支圈形式，该支圈的直径比所述圆柱体的大。

13.如权利要求1所述的中央太阳能接受器，其特征在于，所述窗口为双玻璃型。

14.一种中央太阳能接受器，包括：

轴对称的外壳，该外壳具有前端和后端并在前端具有一孔；

安装在所述孔中与外壳同轴的管状窗口，该窗口具有一通过围绕所述外壳的孔设置的弹性安装装置安装在外壳上的开口前端和一邻近所述外壳的后端设置并与其没有任何安装的闭合后端，所述窗口具有一个面向入射的集中太阳能射线的第一表面和一个面向所述外壳的内部的第二表面；

设置在所述外壳中的容积太阳能吸收器，该容积太阳能吸收器围绕并且沿所述窗口延伸，用于吸收从中穿过的太阳能射线；以及

形成在所述外壳中的工作流体入口和工作流体出口，用于以一种能使工作流体与所述容积太阳能吸收器相互作用的方式分别向该外壳内喷射和从中排出加压的工作流体，其中，所述工作流体入口设置在邻近所述外壳的后端并与其同轴，并且面向所述窗口的闭合后端。

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