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CN106605363A - 双级抛物面聚光器 - Google Patents

双级抛物面聚光器 Download PDF

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CN106605363A
CN106605363A CN201580032015.9A CN201580032015A CN106605363A CN 106605363 A CN106605363 A CN 106605363A CN 201580032015 A CN201580032015 A CN 201580032015A CN 106605363 A CN106605363 A CN 106605363A
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Abstract

一种使用双级抛物面聚光器的用于聚光太阳能电力(CSP)(热)系统的简易的太阳能聚光器及吸收器/接收器子系统，该子系统包括两个抛物面镜面反射器，该两个抛物面镜面反射器的孔口面向彼此，且他们的焦点/焦线和轴线彼此重合，多个吸收器管/腔置于主反射器和/或副反射器的非反射侧上以承载传热流体，所述多个吸收器管/腔与用以防止热损失/使热损失最小化的相关机构相结合，整个装置安装在太阳跟踪机构上。对于聚光光伏(CPV)系统和聚光混合热‑光伏(CHTPV)系统而言，反射器的反射表面和/或外表面的全部或一部分将用合适的光伏面板覆盖或替代。

Description

双级抛物面聚光器
申请人(多个申请人)
下面的说明书具体地描述了本发明及实施本发明的方式
技术领域
本发明涉及发电系统领域。本发明具体涉及用以将来自太阳辐射的能量转换成聚集光束的系统，其中，聚集光束又被转换成其他形式的可用能量，比如热、机械功和/或电。特别地，本发明描绘了通过使用呈特定构型或布置的双级抛物面聚光器来提高聚光太阳能电力(热和光伏)系统的效率的方式。
背景技术
太阳能是用于产生清洁能源的受欢迎且公知的可再生能源之一。目前，存在用于将来自太阳辐射的能量转换成其他可用形式的能量——比如热、机械功和/或电——的各种装置和方法。这种系统中的大多数系统基本上使用光伏(PV)系统、聚光太阳能电力(CSP)(热)系统、聚光光伏(CPV)系统或聚光混合热-光伏(CHTPV)系统来设计。由于本发明涉及CSP、CPV和CHTPV类系统，因此下面列出了相同发明领域中的一些现有专利作为参考：
典型的CSP系统包括一个或更多个镜面反射器，所述一个或更多个镜面反射器将太阳辐射朝向吸收器/接收器聚集，该吸收器/接收器产生较强的热能。使传热流体(HTF)循环经过吸收器/接收器以吸收该较强的热能。如此吸收的热能被直接用来操作热驱动式发动机或者产生加压蒸汽以为蒸汽轮机提供动力，蒸汽轮机又驱动发电机以产生电。使用太阳跟踪机构来全天跟随太阳的运动。可选地使用热能储存器(TES)来储存在白天期间所收集的过多的热能以在没有直射太阳光时产生电。化石和/或生物燃料动力系统可选地以备用模式/混合模式与CSP系统集成在一起，以在没有直射太阳光的情况下延长能量产生的持续时间。
基于所使用的技术，CSP系统可以分为四种类型，即，抛物面槽、线性菲涅耳、发电塔和抛物面盘/发动机。所有这些技术都基于上述相同的基本原理进行工作。
尽管不同类型的CSP系统在世界各地都有研究和/或商业使用，但是对于这种系统的更广泛使用的主要限制和/或关注在于较高的成本、很大的空间需求、较低的转换效率等。下表显示了用于现有的CSP系统1中的一些CSP系统的典型的操作/评估参数。
典型的CPV系统包括由诸如玻璃、钢和塑料之类的廉价材料制成的聚光光学器件(镜或透镜)，以将太阳光聚焦至相互连接的高效硅或多结(MJ)PV电池的相对较小的半导体区域上。PV电池能够将太阳光直接转换成直流(DC)电。该DC电可以直接使用、储存在电池中以及/或者转换至用于通常使用的交流(AC)电。与常规的PV系统不同，CPV系统需要全天连续地跟踪太阳，以保持将太阳光聚集在电池上。该系统使用MJ PV电池实现了较高的太阳能至电能的转换效率(在实验室条件下高达43％)，但是由于高效MJ PV电池的制造成本以及跟踪子系统2的复杂性，该系统的成本较高。
典型的CHTPV系统是CPV系统的变型，该CHTPV系统包括用于以类似于CSP系统的方式从由PV电池产生的热中提取热能的附加机构。
因此，本发明的主要目的是提高CSP、CPV和CHTPV类系统的太阳能至电能的转换效率，这转而可以降低这种系统的成本和空间需求。
发明内容
当提到提高CSP系统、CPV系统或CHTPV系统的效率时，可以通过提高所涉及的各种子系统比如聚光器、吸收器/接收器、太阳跟踪机构、传热流体、热能储存器、热发动机/蒸汽轮机、发电机、光电池等中的一者或更多者的效率来实现。本发明意在提高聚光器和吸收器/接收器子系统的效率。
在设计具有多级反射器的太阳能聚光器时所遵循的基本惯例是避免光线再次进入所述多级反射器中的任一级反射器。然而，本发明中提出的聚光器设计违背了该惯例以努力实现更高的转换效率。现有的CSP系统中待改进的另一关键方面是吸收器/接收器的效率。由于吸收器表面的吸收率不可能是100％并且由于光速比通过吸收器的/接收器的表面传递热的速率高得多，因此现有的吸收器/接收器设计损失了指向该吸收器/接收器的能量的相当大的部分。基于PV的系统存在同样的情况。为了克服这个问题，本发明允许来自聚集的太阳光束的热和/或光能被缓慢、逐渐且完全地吸收。
本发明的用于CSP系统的双级抛物面聚光器在其最简单的构型中包括两个抛物面镜面反射器和多个吸收器管/腔，其中，所述两个抛物面镜面反射器的孔口面向彼此，所述两个抛物面镜面反射器的焦点/焦线和轴线彼此重合，多个吸收器管/腔置于主反射器和/或副反射器的非反射侧上以承载传热流体，并且所述多个吸收器管/腔与相关机构相结合，以防止热损失/使热损失最小化，整个装置安装在太阳跟踪机构上。
对于CPV系统而言，主反射器和/或副反射器的反射表面和/或外表面的全部或一部分将由合适的光伏面板覆盖或替代，以将光能直接转换成电能。
对于CHTPV系统而言，除了使用光伏面板将光能直接转换成电能之外，由光伏面板产生的热能将以类似于CSP系统的方式被吸收。这提高了总的系统效率。
通过结合附图阅读本发明的具体实施方式的以下描述，本发明的其他方面和特征对本领域普通技术人员而言将变得明显。
附图说明
现在参照附图，其中，图示仅出于示出本发明的优选实施方式的目的，而不是出于限制本发明的目的。为了清楚和简单起见，部件没有按尺寸和比例绘制。为了便于参照且增强可读性，在所有示图中，相似部件的命名/编号相同。
图1示出了具有主反射器(A)和副反射器(B)的双级抛物面聚光器的示意图，其中，主反射器(A)和副反射器(B)具有附接至其非反射侧上的顶点的用于承载传热流体的吸收器管(T)，所述吸收器管(T)通过具有主外表面(A’)和副外表面(B’)的合适保温件保持在腔内以防止(A)、(B)和(T)的热损失或者使(A)、(B)和(T)的热损失最小化。(A)的暴露于直接太阳辐射的孔口由单壁玻璃(G)板覆盖，该单壁玻璃(G)在面向(A)的孔口的一侧具有用于红外线的选择性反射涂层并且在外侧具有抗反射涂层。
图2示出了与图1中所示的双级抛物面聚光器类似但吸收器管(T)覆盖主反射器(A)和副反射器(B)的整个非反射表面的双级抛物面聚光器的替代示意图。图1中的单壁玻璃(G)用双壁真空密封玻璃(G2)替代。
图3示出了与图2中所示的双级抛物面聚光器类似但在主反射器(A)和副反射器(B)的非反射侧上具有用于承载传热流体的中空腔(H)的双级抛物面聚光器的替代示意图。
图4示出了呈筒形构型的双级抛物面聚光器的替代示意图。由主反射器(A)和副反射器(B)的非反射侧围封的中空腔(H)将承载传热流体。整个装置由双壁玻璃管(G2)包覆。
具体实施方式
参照图1，示出了双级抛物面聚光器的最简单的示意图，以描述本设计的原理。
本发明中提出的双级抛物面聚光器包括较大的主抛物面反射器(A)和较小的副抛物面反射器(B)，其中，主抛物面反射器(A)的孔口将借助于太阳跟踪机构(图中未示出)总是面向太阳(S)，副抛物面反射器(B)的孔口将面向主反射器的孔口。这两个反射器将以使得其焦点/焦线(F)和轴线彼此重合的方式布置。用于承载传热流体的多个吸收器管(T)将置于顶点处(如图1中所示)以及/或者在两个反射器的外(非反射)侧上遍布所述两个反射器的表面(如图2中所示)。这些管与反射器的非反射表面一起将由具有主外表面(A’)和副外表面(B’)的合适保温件(图中未示出)覆盖/密封，以防止热损失/使热损失最小化。主反射器的孔口的未被副反射器的孔口覆盖的敞开区域将由单壁玻璃(G)板(如图1中所示)或双壁玻璃(G2)板(如图2中所示)覆盖，因此，整个结构将是封闭的腔(C)，该封闭的腔(C)可以被真空密封，以防止反射器的反射侧的热损失或者使热损失最小化。(G)或(G2)的内表面将具有选择性反射涂层，该选择性反射涂层将使由热的反射器表面发出的红外线反射回到腔(C)中，并且(G)或(G2)的外表面将具有抗反射涂层以使反射损失最小化。如果使用双壁玻璃(G2)，则两个壁之间的间隙也将被真空密封。整个装置将安装在太阳跟踪机构(图中未示出)上，以在所有季节都全天跟随太阳的运动。
对于CPV系统和CHTPV系统，主抛物面反射器(A)和副抛物面反射器(B)的围绕其接收聚集的太阳光束的顶点的全部或一部分将由合适的PV电池面板来覆盖或替代。
辐射在由副抛物面反射器(B)覆盖的区域上的能量将借助于置于副抛物面反射器(B)的外表面(B’)上的合适的PV电池面板来提取。
由于抛物面结构的基本反射特性，当与主抛物面反射器(A)的轴线平行地指向的光线照到主抛物面反射器(A)的反射表面时，光线将朝向焦点(F)反射。由于在(F)处没有物体阻挡该光线，因此该光线将沿相同方向直线行进并且将照到副反射器(B)的反射表面。再次由于抛物面结构的相同反射特性，当来自副抛物面反射器(B)的焦点(F)的光线照到副抛物面反射器(B)的反射表面时，该光线将沿与(B)的轴线平行的方向被反射，其中，(B)的轴线又平行于(A)的轴线。当该光线再次照到(A)的反射表面时，该过程将重复多次并且最终将产生沿着与(A)和(B)二者的轴线重合的线经过(F)的细的、高度相干且较强的光束。
实际上，对于用于(A)和(B)两者的反射表面，不能期望100％的反射率。类似地，对于吸收管(T)，也不能期望100％的吸收率。因此，照到所述两个反射表面的每个光线的小部分能量损失为每次反射的热能，并且该热能被流经附接至(A)和(B)的(T)的传热流体吸收。这种布置允许来自聚集的太阳光束的热能被缓慢、逐渐且完全地吸收，这与允许仅通过聚集的太阳光束在吸收器表面处的单次照射进行吸收的现有设计完全不同。
在CPV系统和CHTPV系统的情况下，主(A)的抛物面表面或副(B)的抛物面表面上的PV面板将有机会通过多次反射在光线每次照到时将来自单个光线的光能转换成电能，从而提高总的转换效率。
在CHTPV系统的情况下，除了将光能直接转换成电能之外，由PV面板产生的热能将由吸收器管(T)提取，这进一步提高总的转换效率。
理论计算表明，这种系统的太阳能至热能的转换效率将正比于(A)和(B)的反射率。金属镜或玻璃镜的通常的反射率在85％至95％之间(在某些情况下，反射率可以高达99％)，因此可以期望多于80％的太阳辐射被该简易的太阳能聚光器吸收，从而提高CSP系统、CPV系统和CHTPV系统的总的转换效率。
仿真模型的结果表明，主(A)的抛物面表面的边缘角或边界角(rim angle)与副(B)的抛物面表面的边缘角之间存在一定的关系，以得到该设计的最大的功率输出。最佳的可能构型是：主(A)的抛物面表面的边缘角小于90°，并且副(B)的抛物面表面的边缘角等于(A)的边缘角或者大于等于(A)的边缘角的180°互补角度。例如，如果(A)的边缘角选择为80°，于是为了获得该设计的最大的功率输出，(B)的边缘角应当等于80°或者大于等于100°(180°-80°)。
尽管聚集太阳光以及从太阳光吸收光/热能的理念是能够理解的，但是本发明的关键在于用以将聚集的太阳光束保持在腔内直到来自聚集的太阳光束的所有光/热能被缓慢且完全地吸收为止。
已经利用最简单的二维示意图描述了该理论背后的原理，本设计的变型和改型中的一些变型和改型如以下所列出的：
i.示意图沿着与页面垂直的平面的线性平动将产生双级抛物面槽式聚光器。
ii.示意图沿着(A)和(B)的轴线的旋转式平动(rotational translation)将产生双级抛物面盘式聚光器。
iii.示意图沿着位于(A)的顶点下方并与该顶点的准线平行的线的旋转式平动将产生双级抛物面筒形聚光器(如图4中所示)。这种构型的关键优势在于其不需要太阳跟踪机构来全天跟随太阳，但是这种构型需要用以在至点之间跟随太阳路径的季节性运动的机构。
iv.反射器(A)和(B)还可以采用使用薄的镜面反射器带/部段的菲涅耳反射器的形式。
除了将该原理用于聚集太阳光之外，通常，该原理可以用于聚集任何电磁波。
前述描述是本发明的特定实施方式。应当理解的是，该实施方式仅出于说明的目的来而描述，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以由本领域技术人员实施多种改型和变型。所有这些变型和改型旨在在其落入本发明的如所要求的范围或本发明的等同方案的范围内的情况下被包括在内。

Claims (10)

1.一种使用双级抛物面聚光器来提高聚光太阳能电力(CSP)(热)、聚光光伏(CPV)和聚光混合热-光伏(CHTPV)类系统的太阳能至电能的转换效率的太阳能聚光器及吸收器/接收器子系统，所述太阳能聚光器及吸收器/接收器子系统包括具有两个抛物面镜面反射器——较大的主反射器和较小的副反射器——的反射器子系统以及具有多个吸收器管/腔的吸收器子系统，其中，所述两个抛物面镜面反射器的孔口面向彼此，并且所述两个抛物面镜面反射器的焦点/焦线和轴线彼此重合，所述多个吸收器管/腔置于所述主反射器和/或所述副反射器的非反射侧上以使传热流体循环，所述吸收器子系统与保温子系统相结合用以防止热损失/使热损失最小化，并且整个装置安装在太阳跟踪子系统上。
2.根据权利要求1所述的反射器子系统，其中，所述抛物面镜面反射器能够采用任何三维形状，比如槽、盘、筒形等。筒形结构的关键优势在于：其不需要太阳跟踪机构来全天跟随太阳，而只需要用以在至点之间跟随太阳路径的季节性运动的机构。另外，所述反射器还能够采用使用薄的镜面反射器带/部段的菲涅尔反射器的形式。
3.根据权利要求2所述的抛物面镜面反射器，其中，各个反射器能够使用比如玻璃、金属、聚合物、光伏面板或其他合成材料的任何合适材料中的一者或更多者以及/或者这些材料中的任何材料的组合来制造。另外，各个反射器能够制造成单个部件或者制造成具有相关互锁机构以易于组装和集成的多个部件的结合，其中，在各个部件之间设置有相结合的合适保温件，以防止因从所述反射器的较小的高温区段向较大的低温区段进行的传导引起的热能损失。
4.根据权利要求1所述的吸收器/接收器子系统，其中，各个吸收器能够是能够附接至所述抛物面反射器的所述非反射侧或者一体地构建到所述非反射侧中的管状形状/结构、腔形状/结构或任何其他形状/结构。
5.根据权利要求1所述的保温子系统，能够采用由以玻璃或任何其他合适材料制成的单壁封套或抽空的双壁封套构成的板或管来围封反射部分或整个装置，以防止由对流引起的热损失/使由对流引起的热损失最小化。另外，非反射部分能够用合适的保温材料覆盖以防止由传导引起的热损失/使由传导引起的热损失最小化。另外，反射部分的各个部段能够用合适的保温材料彼此分开，以防止因跨越不同温度区的传导引起的热损失/使因跨越不同温度区的传导引起的热损失最小化。
6.根据权利要求5所述的保温封套，其中，所述保温封套的内表面能够具有用于红外线的选择性反射涂层，以防止由来自所述抛物面反射器的反射表面的红外辐射引起的热损失/使由来自所述抛物面反射器的反射表面的红外辐射引起的热损失最小化。另外，所述保温封套的外表面能够具有抗反射涂层以使反射损失最小化。
7.根据权利要求5所述的双壁保温封套，其中，两个壁之间的间隙能够被真空密封，以防止由传导引起的热损失/使由传导引起的热损失最小化。
8.根据权利要求1所述的太阳跟踪子系统，能够具有全天跟随太阳的运动以及/或者在至点之间跟随太阳路径的季节性运动的能力。
9.根据权利要求1所述的使用双级抛物面聚光器的太阳能聚光器及吸收器/接收器子系统，所述太阳能聚光器及吸收器/接收器子系统能够应用于全部四种聚光太阳能电力(CSP)-热系统，即，抛物面槽、线性菲涅耳、发电塔和抛物面盘/发动机。另外，所述太阳能聚光器及吸收器/接收器子系统还能够应用于聚光光伏(CPV)系统和聚光混合热-光伏(CHTPV)系统。
10.根据权利要求1所述的使用双级抛物面聚光器的太阳能聚光器及吸收器/接收器子系统，其中，整个装置能够构造为单个较大结构或者一系列相互连接的较小结构。
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