專利名稱：太陽能收集器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽能收集器，具有吸收管，具有把太陽輻射聚焦到吸收管上的聚焦器并且具有至少一個圍繞吸收管的、輻射可透過的套管，其中在套管之間的連接區(qū)域內設置用于長度補償?shù)难a償件。
對聚焦器理解為這樣的裝置，其把太陽輻射聚焦到吸收管上。在這種情況下例如可能涉及光學裝置。優(yōu)選拋物面鏡，其構造成凹槽。在如此碗狀槽上反射的輻射聚焦在焦線上，吸收管和套管布置在焦線上。如此碗狀槽也可以包括多個具有獨特曲率半徑并具有獨特焦線的凹槽段。
商業(yè)上的太陽能高溫碗狀收集器在由玻璃構成的套管的連接區(qū)域上具有較大的光損失。在該連接區(qū)域內、支架在該區(qū)域內作用在吸收管上、套管中斷，由此該長度范圍不再用于能量吸收。單軸跟蹤太陽的碗狀收集器把射入的太陽能聚焦在焦線上。吸收管束在該焦線上延伸，傳熱介質流過該吸收管束，通常是熱油或水。大部分已聚焦的太陽輻射通過吸收管束轉變?yōu)闊崮懿⑶逸敵龅綗醾鬟f介質上。為了避免在高溫范圍內的熱對流損失，用由玻璃構成的套管圍繞熱的選擇涂層的吸收管，并且將套管和吸收管之間的間隙抽真空。由于靜力和強度原因吸收管束包括多個管段，這些管段連續(xù)布置并且相互焊接。金屬支架作用在連接區(qū)域，以便使吸收管保持在碗狀收集器的焦線上。在照射狀態(tài)下熱的吸收管膨脹大于較冷的套管。由于這個原因在商業(yè)吸收管中在套管之間設置補償件。該補償件通常由金屬波紋管構成，其彌補在套管之間的間隔并且補償不同的線膨脹。該補償件通過防輻射元件、比如通過鋁皮遮蔽已聚焦的太陽輻射，以便特別防止玻璃金屬焊接連接過高的溫度梯度。
商業(yè)太陽能高溫碗狀收集器在吸收管連接區(qū)域具有較大的光損失。由于必需靈活的玻璃-金屬過渡和支架的位置需求連接區(qū)域不可能構造成有效的吸收管表面，并且到達的已聚焦的太陽輻射不可能由系統(tǒng)接收。由于這個無效的區(qū)域大約損失了5至6％由拋物面鏡反射的輻射。入射到無效區(qū)域的輻射的使用由于不斷變化的入射角顯得非常復雜。
本發(fā)明的任務在于提供一種能夠改善入射的輻射能量利用的太陽能收集器。
根據本發(fā)明的太陽能收集器具有權利要求1的特征。據此在連接區(qū)域內布置至少一個圍繞套管的反射鏡卡圈。
該反射鏡卡圈形成二次反射器，其把已聚焦的太陽輻射從連接區(qū)域反射到吸收管表面的有效區(qū)域。完全或部分環(huán)繞的反射鏡卡圈在不同的陽光入射角的情況下也能夠把從不同方向來自拋物面鏡的已聚焦太陽輻射反射到有效的吸收管表面上。通過反射鏡卡圈雖然可能遮蓋部分吸收管長度，但是射到該部分上的太陽輻射通過二次反射引入吸收管的吸收長度區(qū)域。
根據第一實施方式在連接區(qū)域內布置一個圍繞套管的反射鏡卡圈，其具有完全或部分圍繞套管圓周延伸的錐形。
反射鏡卡圈的錐形意味著，反射鏡卡圈的直徑在吸收管的縱向上減小或者反射鏡卡圈在確定的方向上逐漸變細。這種逐漸變細可以是圓錐形的，但是也可以不同于圓錐形，例如略微形成凹面或凸面。
反射鏡卡圈不必在套管或吸收管的整個圓周上延伸。其僅僅必須覆蓋這個區(qū)域，該區(qū)域考慮用于陽光入射并且從這個區(qū)域輻射對準限定的套管或者穿過套管對準吸收管。
反射鏡卡圈可以具有兩個彼此相對安置的反向錐形表面。在這種情況下入射的輻射或者向吸收管的相反側面反射，或者部分輻射直射反射鏡卡圈并且另一部分繞過反射鏡卡圈。兩個錐面可以具有不同的圓錐角。在北半球上指向南面的錐面最好有較大的圓錐角，而指向北面的錐面具有較小的圓錐角。圓錐角關于吸收管的軸線規(guī)定錐面的陡度。
最好反射鏡卡圈在套管的縱向上完全或者部分遮蓋補償件或者防輻射元件。為此反射鏡卡圈不僅形成一個反射器，而且也形成連接區(qū)域和包含在其中的補償件的保護殼。
根據另一種實施方式，反射鏡卡圈具有至少一個平面。
平面與錐面相比有另外的優(yōu)點，即不是發(fā)散地反射輻射，而是反射相當于光的基準軸。為此焦線內部的焦點保持不變，由此可以進一步提高功率。
該平面最好垂直于套管的軸線。
該平面最好是一個環(huán)面。該環(huán)面可以在套管整個圓周上延伸或部分環(huán)面僅僅一部分上延伸。
一種優(yōu)選實施方式設置多個平面，這些平面布置在圓錐上。通過這種方式獲得平的棱面，其包絡形成錐形。如果聚焦器是碗狀槽，其包括多個分別具有特有曲率半徑的子拋物面，則該布置是特別有益的。最好分別給一個子拋物面分配至少一個平面。這意味著，該平面如此布置在錐面上，即屬于子拋物面的焦線入射到相關的平面上。
最好給一個子拋物面分別分配兩個平面。對此平面對的一個面布置在背離碗狀槽的半個錐面上并且第二個面布置在面對碗狀槽的半個錐面上。
由于優(yōu)選設置兩至四個子拋物面，與此相應反射鏡卡圈最好具有四至八個平面。
H與L之比最好在0.3至1之間，其中h表示反射鏡卡圈垂直于套管軸線的高度，L表示連接區(qū)域的長度。最好如此選擇該比例，即投影長度全年小于連接區(qū)域的長度。這也取決于安裝陽光收集器的位置并因此取決于陽光入射角度。
反射鏡卡圈最好由鋁制成。
下面參考附圖詳細闡述本發(fā)明的實施例。特殊實施例的描述不限制本發(fā)明的保護范圍。
圖示

圖1碗狀收集器的透視圖；圖2用于清楚說明具有圍繞的反射鏡卡圈的連接區(qū)域結構的圖1細節(jié)II；圖3具有半圓形反射鏡卡圈的實施例；圖4具有半圓形雙反射鏡卡圈的實施例；圖5、6和7在圖4的反射鏡卡圈的情況下輻射入射的不同情況；圖8不同長度和角度的說明圖；圖9具有套管和帶有平面的反射鏡卡圈的吸收管布置的透視圖；圖10a具有多個子拋物面的碗狀收集器的透視圖；圖10b在圖9和10a中所示的布置的示意側視圖；圖11具有多個平面的反射鏡卡圈；圖12在圖11中示出的布置的側視圖13在圖11和12中示出的布置的示意圖；圖14至19用于闡明太陽能收益的圖表。
在圖1中示出了一個碗狀收器10，其具有一個拋物面外形的、縱向延伸的拋物面反射器11。拋物面反射器11具有一個由框架構成的承載結構。吸收管13沿著拋物面反射器11的焦線延伸，該吸收管固定在與拋物面反射器連接的支架14上。拋物面反射器與支架14和吸收管13一起形成一個單元，其圍繞吸收管的軸線轉動并且由此單軸跟蹤太陽S的位置。從太陽S射入的平行太陽輻射由拋物面反射器11聚焦到吸收管13上。傳熱介質、例如水或油流過吸收管并且通過吸收的太陽輻射加熱傳熱介質。在吸收管的出口端可以提取傳熱介質并且供給熱交換器或另外的耗能器。
圖2示出了吸收管13，其包括多個管段并且由玻璃套管15圍繞。套管15用于避免在高溫區(qū)域內的熱對流損失和熱輻射損失。將吸收管13和套管15之間的間隙抽成真空。由于靜力和強度原因吸收管束包括多個吸收管，并且相互連接。支架14分別作用在連接位置16。連接位置16在此沒有被套管15遮蓋。在照射狀態(tài)下熱的吸收管13膨脹大于較冷的套管15。由于這個原因將金屬波紋管的形式的補償件17焊接在吸收管末端。該補償件17保證靈活的金屬-玻璃過渡，以便補償不同的線膨脹。
根據本發(fā)明在兩個相鄰套管15之間的連接區(qū)域內布置一個圍繞吸收管或者套管15的反射鏡卡圈20，其在該實施例中具有環(huán)繞360°的平截頭圓錐形狀。反射鏡卡圈20外部成鏡面。其具有一個較大直徑的寬錐面末端20a，并且在對面具有較小直徑的窄錐面末端20b。錐面末端20b的直徑等于套管15的外徑。反射鏡卡圈20連接在套管15的末端，并且其遮蓋到相鄰套管15的連接區(qū)域50至少一部分的管長。在本實施例中補償件17包含在由反射鏡卡圈包圍的空腔內。第二(沒有示出)反射鏡卡圈可以處在連接位置16的另一邊并且遮蓋另外的波紋管17。兩個反射鏡卡圈以其較大的末端20a相互面對。支架14處在中間。
反射鏡卡圈20有這樣的作用，即在圓錐形的反射鏡表面上反射入射的太陽輻射SR并且投射到鄰接的吸收管13上?？梢钥吹?，照射到管之間的連接區(qū)域的太陽輻射SR通過反射鏡卡圈20轉向吸收管13的暴露部分并且穿過套管15到達吸收管。通過這種方式改善碗狀收集器10的能量產生量。
圖3指出了一種實施例，在該實施例中反射鏡卡圈20僅僅大約圍繞套管15的一半圓周延伸并且具有大致半圓形的圓錐形區(qū)域21，其末端通過一個同樣大致半圓形的平坦區(qū)域22連接，如此區(qū)域21和22以360°圍繞套管15。圓錐區(qū)域21具有成鏡面的反射面23，其把太陽輻射SR轉向吸收管13鄰接區(qū)域。在圖3中可以看到支架14，其支撐吸收管13。在支架14的兩側布置補償件17，其中在圖3中僅僅可以看到一個補償件17，而另一個被反射鏡卡圈20掩蓋。在成品狀態(tài)下存在兩個反射鏡卡圈20，其中每個反射鏡卡圈遮蓋一個補償件。在兩個反射鏡卡圈之間存在隔熱件25。
實際上太陽能收集器主要南北定向并且軸向由東向西跟蹤太陽，以便達到最大的年收益。在不同的年份和白天從北向或者南向產生依賴位置的不同入射角。圖4至7指出了在歐洲南部的一個位置在不同入射角的情況下南北取向的碗狀收集器的輻射特性。
圖4至7的實施例基于一種這樣的反射鏡卡圈20，其具有一個第一圓錐面21和一個第二圓錐面24，二者以其較大的末端背靠背彼此相對安置。兩個圓錐面21和24是半圓錐形，其圍繞一半的圓周延伸。根據圖4的雙反射鏡卡圈20在整個連接區(qū)域上延伸，如此其遮蓋兩個補償件17。
在理想情況下在不同入射角的情況下所有從不同方向來自拋物面鏡的、已聚焦的輻射入射到焦線上，這種情況造成，在不同入射角的情況下在吸收管上也存在星形入射情況并因此存在旋轉對稱的入射情況，其旋轉軸線與焦線在吸收管內重合。由于反射鏡卡圈原則上旋轉對稱于焦線，在圖4至7中畫出的光路由于旋轉對稱代表所有另外輻射狀入射的光路。
圖4示出了在夏季的早晨和傍晚雙面構造的反射鏡卡圈20的輻射特性。太陽輻射SR從北面傾斜入射并且首先照射在向北的較大圓錐面21上，輻射從該圓錐面反射到吸收管上。在該狀態(tài)下圓錐面24基本沒有反射作用。
圖5示出了在夏季的白天反射鏡卡圈的輻射特性。在夏季反射的輻射幾乎在整個白天垂直或以較小的入射角照射。兩個圓錐面21和24起反射作用。
圖6示出了在秋季和春季雙面構造的反射鏡卡圈的輻射特性。輻射從南邊斜射并且照射兩個圓錐面21和24，二者把輻射反射到吸收管上。
圖7示出了在冬季雙面構造的反射鏡卡圈20的輻射特性。輻射從南面以較小的入射角入射，也就是基本上平行于圓錐面21。輻射以較大的入射角照射圓錐面24上并且從該圓錐面反射到吸收管上。
圖8示出了北面和南面反射鏡卡圈的迎角，其如下配合當前的入射角。
指出α1＝北面反射鏡卡圈的迎角α2＝南面反射鏡卡圈的迎角Φ＝太陽入射角β1＝由卡圈反射的輻射的北面的吸收管入射角β2＝由卡圈反射的輻射的南面的吸收管入射角h＝卡圈高度L＝吸收管連接件的長度＝連接區(qū)域的長度根據圖8從中得出如下關系式β1＝2*α1-90°+Φ(-20°＜Φ＜90°-α1) (1)β2＝2*α2-90°-Φ(α2-90°＜Φ＜+60°) (2)h=L1tan(α1)+1tan(α2)---(3)]]>對于南歐地區(qū)入射角主要在Φ＝-20°和Φ＝+60°之間。在這個間隔內大約97％的太陽能照射到聚焦器上。如果在極端入射角的情況下考慮大約10°的照射角就足夠，如此按照在圖8中示出的關系對于反射鏡卡圈得出北面的迎角α1＝60°和南面迎角α2＝80°。在碗狀槽發(fā)電站內大部分的太陽能在Φ＝10°至Φ＝20°范圍內照射。在該范圍內對于描述的迎角出現(xiàn)比較大的、50°至60°的照射角。在較大照射角的情況下在反射鏡卡圈和有效吸收管之間的距離較小并且反射鏡卡圈的準確度較大。
在圖9中以透視圖示意示出了具有吸收管和套管15的布置，其中通過隔熱的防輻射元件遮蓋連接區(qū)域50，在該區(qū)域內布置補償元件。該連接區(qū)域或者隔熱的防輻射元件50長度為L。在連接區(qū)域50的左端布置反射鏡卡圈20，該左端相當于安裝在北半球的情況下連接區(qū)域50的南面末端，該反射鏡卡圈具有垂直于管軸線安裝的環(huán)31的形式的平面30。用h表示環(huán)31的高度。
在圖10a中示出了具有一個拋物面反射器11的實施例，其具有四個子拋物面11a-11d。屬于子拋物面的焦線在圖10a中沒有示出，可是在吸收管或者套管15的區(qū)域內。太陽輻射SR以角度α入射，在圖10b中也畫出了該角度。
在圖10b中為了闡述數(shù)學關系式V＝h×tan(α)，可以參看在圖9和圖10b中以示意側視圖示出的布置。α表示太陽輻射的入射角，L表示連接區(qū)域的長度，V表示投影長度。在這個在圖10b中指出的布置中V小于長度L，如此在示出的入射角α的情況下套管15在連接區(qū)域50的右側沒有遮蔽。
在圖11中示出了反射鏡卡圈20的另一種實施例，其總共具有六個平面30，這些平面與套管15的軸線傾斜布置。平面30在錐面上形成棱面。
在圖12中再一次以側視圖示出了該布置，其中附加畫出了入射的太陽輻射SR。
在圖13中為了說明數(shù)學關系以側視圖再一次示出了該布置。從V＝c+d＝h(sinβ+cosβ·tanα)中得出投影長度V，其中β表示反射鏡卡圈20的傾角或者反射鏡卡圈20的平面30的傾角。
通過在兩個相鄰的管之間的連接區(qū)域50內安裝如此的、具有平面的反射鏡卡圈，否則的話照射在連接區(qū)域并且反射回拋物面鏡的輻射附加轉向套管或者吸收管，這樣提高了光效率。
在安裝在北半球的情況下反射鏡卡圈20安置在過渡區(qū)域的南側。反射鏡卡圈在角度β為90°的情況下布置為環(huán)形板31直到角度β為45°的情況下布置為具有平面30的反射鏡卡圈20。
在角度β為90°的情況下在冬季收益最高，較小角度在夏季提高收益，而在冬季收益變小。收益和損失的大小依賴于地理位置、太陽能收集器的定向和相鄰太陽能收集器的高度間隔，這稱為水平投影。
下面的情況例子用于Malaga地區(qū)，太陽能收集器和水平投影的南北取向為15°的。
在圖14中根據三月/九月21日當?shù)貢r間示出了陰影(水平投影)。在右側y軸上的值表示通過太陽能收集器或相鄰太陽能收集器的總陰影。
在不考慮水平投影的情況下得到該曲線，其稱作“沒有陰影的太陽能收益”。如果考慮陰影(水平投影)，則得到連續(xù)線條曲線，其表示有效的太陽能收益。對此h與L之比選擇為0.5。太陽能收益針對沒有反射鏡卡圈的布置的吸收能量。
圖15和16示出了六月21日和十二月21日的相應曲線。
圖17至19示出了h/L為0.55的相應圖表。
h/L＝0.55的比例造成投影長度V全年小于連接區(qū)域的長度L，正如在圖10b中示出的。由此僅僅在連接區(qū)域的南側產生日光收益和損失。由于吸收管的投影在北側不產生損失。在夏季在早晨和傍晚時將產生損失。在這段時間內太陽能收集器通過水平投影部分遮蔽，由此降低與功率有關的損失。
在六月21日收益和損失差不多同樣大。所有另外的白天收益變大并且損失變小。在有冬季的半年內僅僅在南側存在收益。如果h與L的比例為大于0.55，則在有夏季的半年內提高收益。同時在有冬季的半年內由于吸收管的投影在北側產生損失。
以與套管軸線的角度β＜90°也可以安裝反射鏡卡圈。因此在有夏季的半年內提高收益并且降低在早晨和傍晚時間的損失。通過各個平面30防止聚焦線的光擴張。
在圖20至22中示出了三個值、即h/L＝0.55，h/L＝0.8和h/L＝1的不同比例的有效太陽能收益。在圖22中還附加示出了對于0.8和對于h/L＝1的、在南側的收益。
附圖標記表10碗狀收集器11拋物面反射器11a-d 子拋物面12承載結構13吸收管14支架15套管17補償件20反射鏡卡圈20a 寬的錐面末端20b 窄的錐面末端21、24圓錐面22平的區(qū)域23反射面30面31環(huán)面50連接區(qū)域S 太陽SR太陽輻射
權利要求
1.太陽能收集器，具有吸收管(13)、把太陽輻射聚焦在吸收管上的聚焦器并且具有至少一個圍繞吸收管(13)的輻射可透過的套管(15)，其中在套管之間的連接區(qū)域(50)內設置用于長度補償?shù)难a償件(17)，其特征在于，在連接區(qū)域(50)內布置至少一個圍繞套管(15)的反射鏡卡圈(20)。
2.按照權利要求1的碗狀收集器，具有固定在支架(14)上的吸收管(13)、把太陽輻射聚焦到吸收管(13)上的拋物面反射器(11)和多個圍繞吸收管(13)的、輻射可透過的套管(15)，其中在套管(15)之間的連接區(qū)域內設置用于長度補償?shù)难a償件(17)，其特征在于，在所述連接區(qū)域(50)內布置具有完全或部分圍繞套管(15)圓周延伸的圓錐形的圍繞套管(15)的反射鏡卡圈(20)。
3.按照權利要求2的碗狀收集器，其特征在于，所述反射鏡卡圈(20)包括兩個彼此相對安置的反向圓錐面(21、24)。
4.按照權利要求3的碗狀收集器，其特征在于，所述圓錐面(21、24)具有不同的圓錐角。
5.按照權利要求2-4之一的碗狀收集器，其特征在于，所述反射鏡卡圈(20)在套管(15)的縱向上完全或部分遮蓋補償件(17)。
6.按照權利要求5的碗狀收集器，其特征在于，兩個彼此相對安置的反射鏡卡圈(20)在整個長度上包封連接區(qū)域。
7.按照權利要求2-6之一的碗狀收集器，其特征在于，所述反射鏡卡圈(20)圍繞大約套管(15)圓周的一半延伸。
8.按照權利要求2-7之一的碗狀收集器，其特征在于，所述拋物面反射器(11)單軸跟蹤太陽位置。
9.按照權利要求1的太陽能收集器，其特征在于，所述反射鏡卡圈(20)具有至少一個平面(30)。
10.按照權利要求9的太陽能收集器，其特征在于，該平面(30)垂直于套管(15)的軸線定向。
11.按照權利要求9或10的太陽能收集器，其特征在于，該平面(30)是環(huán)面(31)。
12.按照權利要求9的太陽能收集器，其特征在于，所述反射鏡卡圈(20)具有多個布置在一個圓錐上的平面(30)。
13.按照權利要求12的太陽能收集器，其特征在于，所述反射鏡卡圈具有四至八個平面(30)。
14.按照權利要求13的太陽能收集器，具有一個拋物面反射器(11)，其由至少兩個子拋物面(11a-d)構成，其特征在于，分別給一個子拋物面(11a-d)分配至少一個平面(30)。
15.按照權利要求1-14之一的太陽能收集器，其特征在于，h/L之比在0.3至1之間，其中h表示反射鏡卡圈(20)垂直于套管(15)的軸線的高度，L表示連接區(qū)域(50)的長度。
16.按照權利要求1-15之一的太陽能收集器，其特征在于，所述反射鏡卡圈(20)由鋁制成。
全文摘要
太陽能收集器具有吸收管(13)，通過支架支撐該吸收管。輻射可透過的套管(15)處在支架之間，該套管圍繞吸收管(13)。由于吸收管(13)和套管(15)具有不同的膨脹特性，所以在套管(15)之間存在補償件(17)。為了捕獲照射在連接區(qū)域(50)的輻射，存在至少一個反射鏡卡圈(20)，其把這些太陽輻射反射到有效的吸收管表面區(qū)域。反射鏡卡圈(20)能夠在不同的日光入射角的情況下把從不同的方向來自拋物面鏡的已聚焦的輻射反射到有效的吸收管表面。
文檔編號F24J2/10GK1875227SQ200480032460
公開日2006年12月6日 申請日期2004年11月4日 優(yōu)先權日2003年11月4日
發(fā)明者T·庫卡爾科恩, C·希爾德布蘭德特, M·?？嘶舴?申請人:肖特股份有限公司