CN104471326A - 带有集中器布置的太阳能收集器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种槽式收集器（1），具有将太阳能辐射集中到焦线区域中的一次集中器（2），且具有用于将由一次集中器（2）反射的太阳能射线二次集中的布置（56），所述布置将这些射线进一步集中到焦点区域（47）中。用于二次集中的布置（56）具有在一行内具有相同排列但每行之间具有不同排列的多行（60，61，62）的二次集中器（40）。此外，设置使得一行（60，61，62）在操作位置且其它行在休息位置的器件。因而，每行（60，61，62）可以分配斜交角范围，且如果该角变化，不同的行可以带到操作位置。

Description

带有集中器布置的太阳能收集器

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的带有集中器布置的太阳能收集器。

背景技术

槽式收集器尤其用在太阳能发电站中，其中，已经日益增加地提出用于这种槽式收集器的二次集中的布置。

由于光伏技术的还未克服的缺点，至今不可能使用该技术以近似收回成本的方式产生太阳能电力。相比而言，太阳能发电站已经有一段时间以工业规模以如下价格生产电；所述价格(与光伏技术方法相比)接近以常规方式产生的功率的现在通常的商业价格。

在太阳能发电站中，太阳的辐射通过收集器使用集中器来反射并且以对准目标的方式聚焦到因而产生高温（或高的光密度）的位置。集中的热量可被引开并且用于操作热机如涡轮，其继而驱动产生电的发电机。

现在使用三种基本形式的太阳能发电站：碟式/Sterling系统、太阳能塔发电站系统和抛物面槽式系统。

碟式/Sterling系统作为在直至每模块50kW的范围中的小的单元未普遍使用。

太阳能塔发电站系统具有以升高的方式安装(在“塔”上)的中心吸收器，其用于由成百上千的独立镜子反射至其的太阳光，因此太阳的辐射能量经由多个镜子或集中器被集中在吸收器中并且由此应当达到直至1300℃的温度，这对于下游的热机(通常是用于发电的蒸汽或流体涡轮发电站)的效率是有利的。在加利福尼亚的“Solar two”系统具有若干MW的输出。在加利福尼亚的设备PS20具有20MW的输出。

太阳能塔发电站(尽管有能够有利地达到的高温)至今同样未相对普及。

然而，抛物面槽式发电站普及并且具有大量收集器，其具有带有较小横向尺寸的长的集中器，并且由此并非具有一个焦点，而是具有焦线。现在，这些线性集中器具有20m－150m的长度。吸收器管在焦线中延伸，用于集中的热量(直至几乎500℃)，其将热量输送至发电站。导热油、熔融的盐或过热蒸汽例如可能用作输送介质。

在南加利福尼亚的9 SEGS抛物面槽式发电站一起产生大约350 MW的输出。在2007年连接到电力网的发电站“Nevada Solar One”具有带有182400个弯曲镜子的槽式收集器，其设置在140公顷的区域上，且产生65 MW。西班牙的Andasol 3自2009年9月以来已经来建造中，且应当在2011年进入运行，从而发电站Andasol 1－3将具有50 MW的最大输出。

对于发电站作为整体（Andasol 1－3），预期具有大约20％的峰值效率以及大约15％的年度平均效率。

如上所述，太阳能塔发动机的效率的基本参数是由收集器加热的输送介质的温度，借助于所述输送介质，所获得的热量从收集器输送走且例如用于转换为功率：在相对高的温度，在转换期间可以实现更高的效率。输送介质中可以实现的温度继而取决于由集中器反射的太阳能辐射的集中度。50的集中度表示在集中器的聚焦范围中，实现的每平米的能量密度对应于从太阳辐射到地球表面一平米的能量的50倍。

理论最大可能集中度取决于地球－太阳几何形状，即，从地球观察的太阳盘的开度角。根据0.27°的该开度角可以得出，理论最大可能集中度因子对于槽式收集器来说是213。

甚至使用在生产方面非常复杂且因而对于工业使用（太）昂贵并且横截面非常近似抛物线且因而产生具有最小直径的焦线范围的镜子，当今也不可能甚至仅仅近似地达到213的该最大集中度。然而，大约50－60的能可靠实现的集中度是现实的且已经允许在抛物面槽式发电站的吸收器管中的大约500℃的上述温度。

为了增加可实现温度，现在已经提出二次集中器，所述二次集中器在一次集中器的纵向方向再一次集中由一次（槽式）集中器反射的太阳能辐射，从而太阳能辐射最终集中到多个焦点，因而太阳光的集中度和由此产生的温度更高，且应该可实现超过600℃。

如果辐射应当集中到光伏电池上，同样如此，然而，如上所述，其至今尚未实现商业规模。

然而，二次集中器的结构要求高，因为所谓的斜交角，即太阳光落入到槽式收集器的一次集中器上的角度，随着季节变化且在一天中变化，其中，由二次集中器产生的焦点区域于是可能例如移位，这是有问题的，尤其是在使用带有热开口的吸收器管的情况下。

构造为复合抛物面集中器（CPC）的二次集中器似乎特别适合于在纵向方向集中，但是具有可实现的集中度取决于二次集中器的接收角（θ_in）的缺陷（在接收角之外进入二次集中器的辐射不会到达由此产生的焦点区域）：θ_in越大，借助于CPC二次集中器可实现的进一步集中度越小。

在US 2010/037953中提出将构造为菲涅耳透镜或抛物面反射器的二次集中器相对于一次集中器可枢转地设置，从而这些可以不变地获得以跟踪当前斜交角。

然而，可枢转二次集中器的构造所示的方案具有如下缺陷：在不彼此撞击且因而阻挡进一步枢转运动的情况下，这些仅仅能够在所需枢转范围中的小部分内枢转。可想到配备带有在竖直方向隔开的二次集中器所示的设置，虽然将允许所需枢转性，但是使得不是所有的由一次集中器反射的太阳能辐射都可以二次集中在操作期间所需的竖直位置，这降低太阳能收集器的效率。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于带有用于将反射的太阳能射线二次集中的改进布置的槽式收集器。

该目的通过带有权利要求1的特征的槽式收集器来实现。

由于对于入射的辐射，在由一次集中器反射的辐射的路径中可以交替地定位不同取向的部件，因而允许使用根据当前斜交角定向的二次集中器，而不需要二次集中器必须具有可枢转结构。当前不需要的不同取向的二次集中器可以停放在反射的辐射路径之外的休息位置。

因此，构建费用省去了布置可枢转二次集中器用于完全捕获所有反射的射线且用于随着时间的经过总是以高精度观察的取向（但是总是变化）两者。这在高温环境中特别重要，因为在应当产生高于600℃的温度的二次集中器的情况下自然不可避免。类似地，或者具有更大的程度，如果使用光伏电池，其由于特定的性质必须直接设置在二次集中器的出口处且因而必须被冷却，这产生了附加的设计问题。

附图说明

根据附图来更详细说明本发明。

在附图中：

图1a示意性地示出了带有二次集中器布置的已知设计的槽式收集器，

图1b示意性地示出了太阳的每天路径和发生的斜交角，

图1c示意性地示出了收集器中的斜交角，

图1d示出了在Dubai的假定位置的情况下槽式收集器的北/南取向在一年内的斜交角的变化的曲线图，

图2示出了二次集中器的优选实施例，

图3示意性地示出了根据本发明的槽式收集器的第一优选实施例，

图4示出了图3的实施例从上方看的视图，

图5示出了根据图4的视图的二次集中器的相邻设置行的截面图，

图6示出了根据本发明的另一实施例，和

图7a至7c示出了根据本发明针修改的用于各个接收范围的集中元件的侧视图。

具体实施方式

图1a示出了根据现有技术的槽式收集器1，带有一次集中器2，一次集中器2靠在框架上，框架未更详细地示出，从而减轻附图的负担，一次集中器2具有可枢转结构且因而可以跟踪太阳的每天路线。

双箭头3示出了纵向方向，双箭头4示出了槽式收集器1的横向方向，双箭头5示出了收集器1的枢转方向。

还示出了在此构造为菲涅耳透镜的二次集中器9的设置8，也示出了落入到一次集中器2上的太阳能射线10借助于一次集中器2作为射线11朝向一次集中器2的焦线区域反射，且在通过二次集中器9之后以纵向方向3折射，从而其最终作为射线12引导到焦线区域13上。

换句话说，入射太阳能射线最初以横向方向4集中，然后以纵向方向3集中，其中，这样得到的焦点区域13位于吸收器管14上，吸收器管14吸收热量且经由热输送介质耗散热量。

在此图示为刚性镜子的一次集中器2也可以构造为夹持在压力室中的柔性膜，例如在WO 2010/037243中说明的。取代这里示出的吸收器管14，光伏电池也可以提供用于在焦点区域13的位置处产生功率。

如开始所述，在US2010/037953中提出以可枢转方式构造二次集中器9，枢转轴线在横向方向4延伸，以便使得二次集中器9不变地跟踪斜交角（参见图1b）。

图1b示出了太阳相对于收集器1的每天路径。图示了以北/南方向取向的收集器1，水平面由虚线20表示，这可以从收集器1看到。还示出了太阳在夏天的路径21，其在东边在点22开始且在西边在点23结束。类似地，可以看出太阳在冬天的路径25，其在东边在点26开始且在西边在点27结束。

通过根据双箭头5枢转，收集器1在一天内朝向太阳连续地取向（即，在早上，其参考图1b向左倾斜，在中午水平取向，且在傍晚向右倾斜）。

尽管该取向，在夏天，太阳（这里参考附图平面看到）在收集器1的前面升起（这就是说，其北边），且在中午在其后面（这就是说，其南边），且在傍晚在其前面降落（这就是说，又到北边）。在冬天，太阳不变地在收集器1后面，这就是说，其南边。

这借助于收集器1的法线28说明，法线28垂直地位于集中器2的表面线29（标记为虚线且以纵向方向3延伸）上：例如，其与太阳能射线30（冬天的太阳）包围第一角度S，且与太阳能射线31（夏天的太阳）包围第二角度S。本领域技术人员已知角度S为斜交角，且表示当收集器朝向太阳取向时纵向方向3的太阳能射线倾斜地入射到收集器的集中器上。

如果太阳能射线31在前面倾斜地落入到收集器1上，斜交角是负的，如果太阳能射线30在后面倾斜地落入到收集器1上，斜交角是正的。如果太阳能射线在中午与法线29重合，斜交角是0。这在图1c和1d中概略地示出：如果收集器1朝向太阳取向，太阳能射线在斜交角S下方落入到集中器2上，使得它们与法线29位于平面E中，其中，未示出从而减轻附图的负担的反射射线集中到集中器2的焦线区域中。

图1d通过示例的方式示出了根据季节基于Dubai的位置的斜交角区域的曲线图：季节t在水平轴上绘出，斜交角的值（单位：度）在竖直轴上绘出。

图1d的曲线图基于收集器1的北/南取向，其中，-70－+70°的枢转范围足够了（0°对应于中午时的水平取向）。

从图1b所示的关系可以看出，夏天（例如，6月25日）的倾斜角S在早上大约-17°（图1b中的点22），在中午大约+4°，在傍晚再次为-17°。在一天内，斜交角S变化大约21°。

在冬天，例如在1月5日，斜交角在大约+32°和大约+48°之间变化，因而变化大约26°。

图2示出了可以用于集中器1（图1a）中的二次集中器40，取代构造为在那里示意性地示出的菲涅耳透镜的二次集中器9。二次集中器40具有构造为复合抛物面集中器（CPC）的前壁41和后壁42。CPC本质上是本领域技术人员已知的。CPC用于二次集中由一次集中器2（图1a）反射的太阳能射线11, 11'，即，其以纵向方向3集中太阳能射线11, 11'。

还示出了构造为喇叭式集中器且允许由一次集中器以横向方向4集中的太阳能射线11附加地再一次以横向方向4集中的右侧壁43和左侧壁44。喇叭式集中器本质上是本领域技术人员已知的。

因而，高度集中的射线45从二次集中器40的上部开口46涌出且根据本发明在焦点区域47中撞击吸收器管14（图1a）或者光伏电池，其被省去从而减轻附图的负担。

二次集中器40的下部开口48具有由CPC以及喇叭式集中器的属性确定的接收范围，因而，仅仅在接收角下方入射的射线11集中到焦点区域47中，对于位于接收角之外的射线11'来说不是如此。

图3示出了本发明的优选实施例。示出了带有设置在压力室51中的柔性集中器隔膜52的收集器50，柔性集中器隔膜52一次集中入射的太阳能射线53, 53'且因而将其作为射线54, 54'反射到二次集中布置55。压力室51夹持在收集器50的框架59中。

托架58设置在架构56中在吸收器管57下方，托架58设置成使得其可以在横向方向4在吸收器管57下方前后移动，且支承二次集中器40（图2）（这里以多个相互邻近的行60，61和62的形式），使得二次集中器40以行60－62分组。在每行或组60－62中，相关的二次集中器40于是一个接一个排列，因而沿一次集中器的长度设置。

为了减轻附图的负担，省去了托架58的常规驱动器，其可以通过本领域技术人员根据现场的要求任意地想到。

借助于托架58的合适移动，在每个情况下行60－62中的一行位于吸收器管57下方，即在所反射的辐射路径中的操作位置，另外两行位于休息位置，即在所反射的辐射路径之外。

每行（或组）60－62的二次集中器与其它组的二次集中器相比不同地取向，这就是说，具有不同取向的接收范围且因而适合于二次集中与相关预定范围的斜交角S（即，在预定斜交范围中）相对应的辐射。

从实际位置的斜交角范围开始且根据图1d的曲线图，本领域技术人员因而可以确定整个斜交角（在图1d是示例中是从-18°－+49°的范围），将整个斜交角分成合适数量的预定斜交角（在根据图3的布置的示例中，三个）且将二次集中器40的一行（或组）60－62分配给这些这样的预定斜交范围中的每个，所述二次集中器朝向其斜交范围定向且然后借助于托架48的移动在对应季节被带到操作位置。

图4示出了根据图3的收集器50从上方看的视图，其中，吸收器管57被省去从而减轻附图的负担。其位置借助于线70图示。

根据所示的实施例，二次集中器40的三行或组60－62设置在托架58中。如上所述，二次集中器40在透视图中朝向相关斜交角定向。

二次集中器40的行60－62的截面在图5中更详细图示，且借助于虚线71表示。

因而，根据本发明的槽式收集器具有用于将由一次集中器42反射的太阳能射线54, 54'二次集中的布置65，所述布置将太阳能射线进一步集中到焦点区域46（图2）中，其中，用于将所反射的辐射二次集中的布置65具有在这里构造为二次集中器40的多个不同取向集中部件，且还具有将集中部件交替地带到在所反射的辐射路径中的操作位置或者在所反射的辐射路径之外的休息位置的器件。这些器件在根据图3的实施例中构造为架构56、托架58和用于托架58的驱动器。

图5示出了根据由二次集中器40的行60－62构成的虚线71的截面图。为了减轻附图的负担，托架58和收集器50的所有其它元件被省去，仅仅通过线71示出吸收器管57的位置。在附图中，每行60－62的二次集中器的取向可以清楚地看到。

如上所述，本发明并不限于附图2中所示的二次集中器的实施例，借助于其可以将由一次集中器反射的辐射纵向地集中到焦点区域中的任何元件均符合本发明。此外，用于移动二次集中元件的器件可以不同地构造，从而例如取代在架构56上行进的托架58，可想到将二次集中元件设置在围绕吸收器管放置的旋转环上。类似地，光伏电池可以设置在由二次集中元件形成的焦点区域中。

一次集中器的抛物面槽式形状意味着反射的射线在纵向方向看不会平行地落入到二次集中元件上，而是以若干度的角度，其值随着斜交角的大小变化。因此，在优选实施例中，各行或组的二次集中元件的接收范围以重叠方式构造，从而当从一行变为另一行时，当前盛行的太阳能辐射能够通过两行完全集中到焦点区域中。

图6示出了根据本发明的收集器80的另一实施例，其中，修改用于二次集中的布置65。单行83的二次集中元件（这里为二次集中器40）借助于吸收器管57和托架58之间的保持臂84固定地设置在架构56中。附连元件87和89的行85和86设置在托架58中，根据托架85的位置，其位于操作位置（即，在辐射44, 44'的路径中）且与二次集中器40一起形成用于二次集中器的修改元件。附连元件的作用是使得二次集中器40的接收范围变化，继而使得存在三个不同行的二次集中元件，在每个情况下分配给斜交范围且具有对应的接收范围。

在图7a值7c中示意性地示出了二次集中器40，其中，图7a示出了没有附连元件的二次集中器40，其接收范围对应于虚线86。图7b示出了附连元件87，其构成前壁的与二次集中器40的后壁42相对的不对称延续部，因而根据虚线88改变其接收范围的方向。类似地，在图7c中，其中，在那里示出的二次集中器40的接收范围的方向借助于更大的附连元件89更强烈地变化，如虚线90所示。例如，根据图1c的曲线图，根据图7a的二次集中器40行可以安排用于-18°－+10°的斜交范围，根据图7b的带有附连元件87的二次集中器行可以安排用于5°－+33°的斜交范围，根据图7c的带有附连元件89的二次集中器行可以安排用于+30°－+48°的斜交范围。

本领域技术人员可以根据现场盛行的实际条件确定斜交范围。类似地，本领域技术人员可以确定二次集中元件的行数，尽管当前示例性实施例中所示的三行的数量视为有利的，但是可想到仅仅两行或者多于三行，例如4－6行。

Claims (12)

1. 一种槽式收集器，具有将太阳能辐射（10，11，53，53'）集中到焦线区域中的一次集中器（2），且具有用于将由一次集中器（2）反射的太阳能射线（10，11，53，53'）二次集中的布置（56），所述布置将太阳能射线进一步集中到焦点区域（47）中，其特征在于，用于将所反射的辐射二次集中的布置（56）具有针对入射的辐射不同地定向的多个部件（40，87，89），以及将不同地定向的部件（40，87，89）交替地带到在所反射的辐射路径中的操作位置或者位于所反射的辐射路径之外的休息位置的器件。

2. 根据权利要求1所述的槽式收集器，其中，成组的不同地定向的部件（40，87，89）具有朝向预定斜交范围固定地定向的相同接收范围，在每个情况下设置多个组（60－62），用于不同的斜交范围，且器件构造成在每个情况下将一组操作性地定位在所反射的辐射路径中。

3. 根据权利要求1所述的槽式收集器，其中，至少一组（60－62）在横向方向的接收范围与其它组（60－62）不同地构造。

4. 根据权利要求1－3中任一项所述的槽式收集器，其中，集中部件（40，87，89）构造为在该组内具有相同取向但每组之间具有不同取向的二次集中器（40），其中，一组的取向对应于预定斜交范围，且一组的二次集中器（40）设置成沿一次集中器（2）的长度一个接一个设置。

5. 根据权利要求1－3中任一项所述的槽式收集器，其中，集中部件（40，87，89）具有单组固定定向的二次集中器（40）和用于二次集中器（40）的多组附连元件（87，89），在每个情况下，附连元件（87，89）与二次集中器（40）结合针对各个斜交范围实现其接收范围的取向，且其中，所述器件构造成在每个情况下将一组附连元件操作性地定位在二次集中器（40）上游的辐射路径中。

6. 根据权利要求4或5所述的槽式收集器，其中，二次集中器（40）构造为复合抛物面集中器。

7. 根据权利要求1所述的槽式收集器，其中，用于二次集中的布置（56）还构造用于以横向方向集中所反射的辐射，且优选地具有用于每个焦点区域的喇叭式集中器。

8. 根据权利要求1或2所述的槽式收集器，其中，用于二次集中的布置（56）构造成将以-20°－+50°的斜交角入射到一次集中器（2）上的太阳光集中到焦点区域（47）中。

9. 根据权利要求2所述的槽式收集器，其中，各个预定斜交范围的接收范围重叠。

10. 根据权利要求1所述的槽式收集器，其中，吸收器管（57）设置有热开口，且焦点区域（47）位于热开口的位置处。

11. 根据权利要求1所述的槽式收集器，其中，光伏电池设置在焦点区域（47）的位置处。

12. 根据权利要求1所述的槽式收集器，其中，一次集中器（2）分成多个纵向区域，且用于将由纵向区域反射的太阳光二次集中的布置分配给每个纵向区域。