具有雙重暴露吸熱屏的太陽能接收器的制造方法
【專利摘要】公開了一種雙重暴露的吸熱屏，該雙重暴露的吸熱屏可以用于太陽能接收器設計。一般地，該吸熱屏包括管屏，通過該管屏，傳熱流體流動以吸收來自定日鏡、聚焦在該管屏上的太陽能。結(jié)構(gòu)支承架包繞該管屏。加強結(jié)構(gòu)橫過該管屏的暴露面延伸。通過使用熱罩來保護位于周緣上的集管和其它支承結(jié)構(gòu)。
【專利說明】具有雙重暴露吸熱屏的太陽能接收器
[0001]相關文件的交叉引用
[0002]本申請要求于2011年11月16日提交的、申請?zhí)枮?1/560，512的美國專利臨時申請的優(yōu)先權。在此，該申請的全部內(nèi)容通過參見的方式合并入本文。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及用于產(chǎn)生電能的太陽能發(fā)電領域。更具體地，本發(fā)明涉及雙重曝露或兩側(cè)吸熱的板和具有一個或多個所述板的太陽能接收器。這些太陽能接收器設計可以用于集中式太陽能塔技術(也稱為集中式太陽能發(fā)電技術，CSP)以利用太陽能來產(chǎn)生“綠色”電能。
【背景技術】
[0004]太陽能接收器是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的主要部件，通過太陽能接收器，陽光被用作熱源以最終產(chǎn)生過熱的高質(zhì)量蒸汽，此蒸汽被用以驅(qū)動汽輪發(fā)電機，并使用蘭金循環(huán)最終產(chǎn)生電能，或者為其它熱過程提供蒸汽。
[0005]一般地，太陽能接收器被定位在高于地平面的高架支承塔的頂部。太陽能接收器被戰(zhàn)略性地定位在一組反光表面即定日鏡(或鏡子)的場地中，這些反光表面收集太陽光線，然后將這些光線反射回來并集中到該太陽能接收器的吸熱表面。然后，太陽能由流過太陽能接收器的工作傳熱流體(HTF)吸收。這些反光表面可以在整個白天于不同位置定向以跟蹤太陽并最大化反射到該接收器吸熱表面上的陽光。
[0006]太陽能接收器是管的組件，水、蒸汽、熔鹽或其它傳熱流體(HTF)在這些管中流動。在太陽能接收器的這些管中的傳熱流體吸收被集中的太陽能，使傳熱流體溫度上升并且/或者發(fā)生相變，使得傳熱流體獲得太陽能。然后，被加熱的傳熱流體被直接運送到汽輪發(fā)電機以產(chǎn)生電能或者被間接運送到儲存罐中以備日后使用。
[0007]太陽能接收器設計通常包括具有豎直定向管的屏，即管屏(或管板)，以及用于將管屏維持在合適位置的支承結(jié)構(gòu)和其它關聯(lián)設備(泵、管線、儲存容器、熱罩等)。在常規(guī)設計中，太陽能接收器具有正方形、長方形或圓形橫截面(從上向下看的俯視圖中)。這些管屏布置在該橫截面的外部上，使得來自鏡場的太陽能被導向(或被吸收)到管屏的僅一個面。在例如名稱為“工廠組裝的太陽能接收器熱交換器(Shop-Assembled Solar ReceiverHeat Exchanger) ”并授予巴布考克和威爾克斯發(fā)電集團公司(Babcock&Wilcox PowerGeneration Group, Inc.)的美國專利第12/605，241號中描述了上述管屏,在此,該申請的全部內(nèi)容通過參見的方式合并入本文。
[0008]在此方面，圖1是上述一個太陽能接收器設計100的俯視圖(即從上方看)，該太陽能接收器具有四個被設置成正方形的管屏110、120、130、140。各管屏具有一個接收來自鏡場的太陽能的外表面112、122、132、142以及一個不接收該太陽能的內(nèi)表面114、124、134,144ο
[0009]管屏的不接收太陽能的內(nèi)表面一般具有加固梁系統(tǒng)，該加固梁系統(tǒng)支承所述屏以承受強風、地震力以及熱感應力。典型地，該加固梁系統(tǒng)包括“工”字型橫梁或其它的結(jié)構(gòu)鋼形狀，橫梁或結(jié)構(gòu)鋼以使得該管屏可以獨立于支承結(jié)構(gòu)本身并獨立于其它管和屏膨脹的方式被夾在管屏上。一般地，將夾具焊接到管上，使得當將熱施加于該管時，管屏可以相對于固定支承結(jié)構(gòu)移動，而該支承結(jié)構(gòu)仍可為該管屏提供剛性。在太陽能接收器上，管屏中的管并未如同在礦石燃料燃燒鍋爐中一樣沿它們的軸線(即膜式構(gòu)造)焊接在一起，而是未加束縛的構(gòu)造。此允許管在當加熱時獨立于彼此進行膨脹。由此，各管必須具有夾具以附連到處于一定支承高度上的加固梁。
[0010]由于管只有一面暴露于太陽能而導致的一個問題是暴露的熱表面和非暴露的冷表面之間會產(chǎn)生溫差。這導致管的熱表面和冷表面之間不同的膨脹，由此使管彎曲。管彎曲的嚴重性取決于溫差的大小和管屏的剛度。由于將管連接到加固梁的夾具在支承高度將管保持在位，所以在各支承高度之間會發(fā)生彎曲。此會在各支承高度處的管的加熱側(cè)上產(chǎn)生很高的壓應力。
[0011]由于每天在啟動、關閉和云層經(jīng)過期間會加熱和冷卻這些管，所以這樣的壓應力是循環(huán)的，最終將會導致疲勞失效。對于使用熔鹽作為傳熱流體的接收器，熔鹽中的雜質(zhì)也可能導致腐蝕，在壓應力所在之處，此現(xiàn)象更嚴重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明在各個實施例中涉及吸熱管屏和合并有在兩個相對面上暴露于太陽能的這種吸熱管屏的太陽能接收器。相比于在單個表面上吸收熱能的屏，在兩個表面上吸熱可以減少熱表面和冷表面之間的溫差，并因此提供沿管周向上更均勻的管溫。此導致管內(nèi)顯著降低的熱應力和管失效更低的可能性。由于有較低的管應力，因應力腐蝕導致失效的風險也降低了。而且，對于給定的管屏大小，其有效的吸熱面積相比單側(cè)加熱屏加倍了。降低的熱應力和加倍的吸熱面積一起產(chǎn)生能夠吸收兩倍以上太陽能的屏，此顯著地提升了管屏的效率。太陽能接收器包括傳熱表面、結(jié)構(gòu)上和功能上與傳熱表面互相連通的傳熱流體系統(tǒng)、豎直支承結(jié)構(gòu)以及加強結(jié)構(gòu)的布置。在本文中也描述了各種結(jié)構(gòu)特征件和其它附加件。
[0013]更具體地，本文在實施例中公開的是雙重暴露的吸熱屏，包括管屏和結(jié)構(gòu)支承架。該管屏具有第一暴露面、與該第一暴露面相對的第二暴露面、上邊緣、下邊緣、第一側(cè)邊緣和第二側(cè)邊緣。該管屏包括用以遞送傳熱流體的多個豎直管，其中所述多個豎直管由至少一個上集管和至少一個下集管互相連通。結(jié)構(gòu)支承架沿管屏的上邊緣、第一側(cè)邊緣和第二側(cè)邊緣延伸。
[0014]至少一個屏支承桿可以在結(jié)構(gòu)支承架和上集管之間延伸以將該管屏連接到該結(jié)構(gòu)支承架。
[0015]該管屏一般包括多個管程，相鄰的管程被布置成使得傳熱流體向上流過一個管程然后向下流過另一個管程。
[0016]該雙重暴露的屏還可以包括在第一支承高度處從管屏的第一側(cè)邊緣到第二側(cè)邊緣橫過第一暴露面和第二暴露面延伸的第一加強結(jié)構(gòu)。
[0017]在具體實施例中，該加強結(jié)構(gòu)由第一支承組件和第二支承組件形成。各支承組件包括:支承管；從該支承管延伸并在內(nèi)部具有槽的水平凸緣；以及接合該管屏并具有至少一個凸耳的扇貝形棒，該扇貝形棒由穿過該至少一個凸耳和該水平凸緣的槽的銷而接合該水平凸緣。
[0018]各支承組件的支承管可以具有不同于管屏中任意管的直徑，并且在一些實施例中大于管屏中任意管的直徑。各支承管的外部表面可以被涂覆或涂漆以減少吸熱。
[0019]該兩側(cè)吸熱的屏還可以包括第二加強結(jié)構(gòu)，該第二加強結(jié)構(gòu)在第二支承高度處從管屏的第一側(cè)邊緣到第二側(cè)邊緣橫過第一暴露面和第二暴露面進行延伸。一般地，該第一支承高度和第二支承高度不處于管屏的中區(qū)。根據(jù)兩側(cè)吸熱的屏的高度，可以考慮額外的加強結(jié)構(gòu)。
[0020]結(jié)構(gòu)支承架包括第一豎直柱、第二豎直柱以及從第一豎直柱的上端到第二豎直柱的上端延伸的上水平梁。在一些實施例中，該結(jié)構(gòu)支承架還包括構(gòu)造出該管屏的第一暴露面的第一熱罩，和構(gòu)造出該管屏的第二暴露面的第二熱罩。
[0021]該第一熱罩和該第二熱罩可以被涂漆以減少吸熱。類似地，管屏的第一暴露面和第二暴露面可以被油漆以增加吸熱。
[0022]該下集管可以在其于吸熱屏內(nèi)移動時被導引。
[0023]該兩側(cè)吸熱的屏還可以包括結(jié)構(gòu)支承架所依靠的基底平臺。
[0024]本文在多個實施例中也公開的是包括至少一個上述雙重暴露吸熱屏的太陽能接收器。
[0025]太陽能接收器可以具有兩個雙重暴露吸熱屏，其中，一個吸熱屏處于另一個吸熱屏的上方并且被定向成與該另一個吸熱屏成一定角度。
[0026]在另一變型中，太陽能接收器具有四個雙重暴露吸熱屏，其中所述四個雙重暴露吸熱屏的第一側(cè)邊緣被布置以形成內(nèi)部正方形。更一般地，太陽能接收器可以具有三個或更多的雙重暴露吸熱屏，其中，這些吸熱屏的第一側(cè)邊緣被布置以形成內(nèi)部多方形。
[0027]本文在不同實施例中也公開的是一種太陽能系統(tǒng)，該太陽能系統(tǒng)包括上述太陽能接收器和鏡場。該鏡場構(gòu)造成將陽光朝該太陽能接收器的暴露表面進行導向。
[0028]下面將更具體地描述本發(fā)明的這些和其它非限定性方面和/或目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]以下是【專利附圖】

【附圖說明】，該說明用以描述本文公開的示例性實施例，而不是用以限制本發(fā)明。
[0030]圖1是具有正方形定向的常規(guī)太陽能接收器設計的平面圖(即頂部視圖)，各管屏具有一個外部暴露表面和一個內(nèi)部非暴露表面。
[0031]圖1A是具有擋光板和隔熱部的常規(guī)管屏的側(cè)部剖視圖。
[0032]圖1B是圖1A的管屏的立體圖。
[0033]圖2是使用具有有限數(shù)量管程的雙重暴露吸熱屏的、本發(fā)明的太陽能接收器的第一前視圖。在本圖中，移除了熱罩和屏加強支承結(jié)構(gòu)以提供內(nèi)部視圖。
[0034]圖3是使用雙重暴露吸熱屏的本發(fā)明太陽能接收器的第二前視圖。在本圖中，屏加強支承結(jié)構(gòu)是可見的，但移除了熱罩以提供另一內(nèi)部視圖。
[0035]圖4是使用雙重暴露吸熱屏的本發(fā)明太陽能接收器的外部前視圖。在此，熱罩處于合適位置。
[0036]圖5是本發(fā)明的太陽能接收器的外部側(cè)視圖。[0037]圖6是示出了本發(fā)明的管屏和用于該管屏的加強結(jié)構(gòu)的平面圖。
[0038]圖7是圖6所示管屏以及用于該管屏的加強結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖。
[0039]圖8是圖6所示管屏和加強結(jié)構(gòu)的前視圖。
[0040]圖8A是圖6所示管屏和加強結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0041]圖9是沒有加強結(jié)構(gòu)的管屏的放大前視圖，其示出了具有多個管程、上集管和下
集管的管屏。
[0042]圖10是示出了流體流過雙重暴露吸熱屏的示意圖。
[0043]圖11是管屏和下集管的側(cè)部剖視圖，其示出了導引結(jié)構(gòu)。
[0044]圖12是使用兩個所述雙重暴露吸熱屏的第二太陽能接收器設計的立體圖，其中，一個屏在另一屏的頂部并且垂直于該屏。
[0045]圖13是圖12所示第二太陽能接收器設計的平面圖。
[0046]圖14是使用四個所述雙重暴露吸熱屏的第三太陽能接收器設計的平面圖，各雙重暴露吸熱屏布置成加號形構(gòu)造或十字形構(gòu)造。
[0047]圖15是使用六個所述雙重暴露吸熱屏的第四太陽能接收器設計的平面圖，各雙重暴露吸熱屏被布置以形成內(nèi)部多邊形，各屏如同輪輻一樣延伸。
【具體實施方式】
[0048]通過參照附圖可以更完整地理解本文公開的過程和裝置。這些附圖只是基于說明現(xiàn)有技術和/或本領域發(fā)展的方便性和容易性而示出的示意性視圖，因此不是意為指定其組件或部件的相關大小和尺寸。
[0049]雖然為了清晰在以下說明中使用了特定術語，但是這些術語僅意為表示附圖中選定用以說明的、實施例的具體結(jié)構(gòu)，而不是意為限定或限制本發(fā)明的范圍。在附圖中和以下【具體實施方式】中，應當理解的是，相同的附圖標記用于表示具有相同作用的部件。
[0050]與數(shù)量結(jié)合使用的修飾詞“大約”包括所述值，并且具有上下文所表示的意義(例如，它至少包括與具體數(shù)量的測量值相關聯(lián)的誤差度)。當該詞與具體值一起使用時，也應當考慮為公開該值。例如，術語“大約2”也公開值“2”，范圍“從大約2到大約4”也公開范圍“從2到4”。
[0051]應當注意的是，本文使用的許多術語是相對性的術語。例如，術語“內(nèi)部(內(nèi)側(cè))”、“外部(外側(cè))”、“向內(nèi)”和“向外”是相對于中部的，而不應當理解為要求該結(jié)構(gòu)的具體定向或定位。類似地，術語“上”和“下”是在位置上相對于彼此的，即上部件處在高于下部件的高度處。
[0052]術語“水平”和“豎直”用以表示相對于絕對參照物即地平面的方向。但是，這些術語不應當理解為要求各結(jié)構(gòu)相對于彼此完全平行或完全垂直。例如，第一豎直結(jié)構(gòu)和第二豎直結(jié)構(gòu)不一定是彼此平行的。
[0053]解釋太陽能接收器、鍋爐和/或蒸汽發(fā)電機領域的特定術語或原理對于理解本發(fā)明是必要的，從這個意義上講，讀者可參考巴布考克&威爾克斯公司的Stultz和Kitto著的《蒸汽的產(chǎn)生和使用(Steam/Its Generation And Use)》第40版,版權所有1992,以及巴布考克&威爾克斯公司的Stultz和Kitto著的《蒸汽的產(chǎn)生和使用(Steam/ItsGeneration And Use)》第41版，版權所有2005，其二者的內(nèi)容通過參見的方式合并入本文，如同在本文中充分闡述一樣。
[0054]本發(fā)明涉及雙重暴露或兩側(cè)吸熱的吸熱屏，并且涉及結(jié)合有一個或多個兩側(cè)吸熱的吸熱屏的太陽能接收器。吸熱屏被設計成在兩個相對的側(cè)上或面上接收熱量，而不是僅在一側(cè)上或一個面上接收熱量。這可以減少由于疲勞或應力侵蝕導致的管的失效，并且對于給定的管屏大小，有效的吸熱面積相比于單側(cè)加熱管屏的吸熱面積加倍了。管屏可以包括一個或多個加強結(jié)構(gòu)或熱罩。一般地，太陽能接收器處在高于地平面或水平面上的豎直支承結(jié)構(gòu)的頂部。該豎直支承結(jié)構(gòu)可以由基底支承。傳熱表面有利地包括未加束縛的相切的管屏，這些管屏允許管/管屏在水平和豎直方向上不受限制地熱膨脹，由此消除額外的管應力。如本領域普通技術人員所知的，根據(jù)適用設計標準，管的大小、它們的材料、直徑、壁厚、傳熱表面的數(shù)量和布置方式基于所使用的溫度和壓力。所要求的管內(nèi)工作流體的傳熱特性、循環(huán)倍率、點吸收率、質(zhì)量流量等也是必須要考慮的重要參數(shù)。根據(jù)太陽能接收器所要安裝的地理位置，也要考慮適用的地震載荷和設計標準。
[0055]應當注意的是，在一些實施例中，熔鹽用作流過吸熱屏的傳熱流體(HTF)。在此方面，熔鹽在接近430° F(221°C，494° K)的溫度時凝固。如果太陽能接收器的管屏由于有意停工或由于鏡場意外故障而未暴露于光/熱，那么熔鹽可能快速地冷卻并形成堵塞。被堵塞的管可能引起開機延遲，并且可能導致管失效。因此，典型地，快速排出熔鹽的能力是太陽能接收器設計的一部分。用于排出熔鹽的閥和額外的管線未在本文中描述，但是應當考慮為存在這些閥和管線。本發(fā)明也考慮了使用水、蒸汽或任何其它傳熱流體，同時對太陽能接收器的其它部件可以做適當?shù)男薷摹?br> [0056]圖1A是使用一側(cè)吸熱的常規(guī)管屏12的側(cè)視圖，而圖1B是該管屏的放大立體分解圖。該一側(cè)吸熱的管屏用在圖1所示的常規(guī)太陽能接收器中。反射模塊化屏擋光板36定位于與管屏的吸熱側(cè)(即外側(cè))相對的、管13的后部(即管屏的非暴露面)。擋光板36由金屬板陣列組成，并且可以在管側(cè)上涂覆白漆或其它反射性材料，以使反射回所述管的光能最大化，并降低該擋光板的工作溫度。該擋光板由諸如加固梁支承系統(tǒng)20的管附連結(jié)構(gòu)支承。在擋光板后部(即太陽能接收器的另一內(nèi)部)的是由防護套覆蓋的隔熱部38。該擋光板被設計成保護隔熱部38、支承結(jié)構(gòu)20和太陽能接收器的內(nèi)部零件以免使其暴露在可能通過管屏的各未加束縛的正切管之間的空隙進入的雨或熱中。
[0057]圖2至圖4是具有雙重暴露或兩側(cè)吸熱的屏的太陽能接收器的多個正視圖，各正視圖在具有或不具有特定結(jié)構(gòu)上有所不同并允許更好地理解本發(fā)明。
[0058]在圖2中，兩側(cè)吸熱屏200是可見的。吸熱屏200包括管屏210。管屏210包括第一暴露面222和與第一暴露面相對的第二暴露面224(不可見；參見圖5)。術語“暴露”表不來自定日鏡的集中陽光可以被導向管屏的該表面。第一暴露面222和第二暴露面224也可以稱作外表面，該外表面也表不它們能夠接收來自定日鏡的集中陽光。該第一暴露面和第二暴露面是大體平坦的表面。管屏210在上集管242和下集管250之間延伸。換句話說，管屏中的各管通過至少一個上集管和至少一個下集管互相連通。應當注意的是，在實際中，管屏可以包括多個上集管和下集管。管屏210也具有上邊緣212、下邊緣214、第一側(cè)邊緣216和第二側(cè)邊緣218。應當注意的是，在此視圖中，人們可以看到管屏210和結(jié)構(gòu)支承架300之間的結(jié)構(gòu)。
[0059]結(jié)構(gòu)支承架300沿該管屏的上邊緣212、第一側(cè)邊緣216和第二側(cè)邊緣218延伸。結(jié)構(gòu)支承架300包括第一豎直柱310、第二豎直柱320以及從第一豎直柱的上端312到第二豎直柱的上端322延伸的上水平梁330。如所看到的，第一豎直柱310與第一側(cè)邊緣216相鄰，第二豎直柱320與第二側(cè)邊緣218相鄰并且上水平梁330與該吸熱屏的上邊緣212相鄰。管屏210通過上集管242連接到結(jié)構(gòu)支承架300。在此，該管屏是頂部支承的。至少一個屏支承桿202在結(jié)構(gòu)支承架300和上集管242之間延伸；在此示出了三個這樣的屏支承桿。
[0060]結(jié)構(gòu)支承架300依靠在基底平臺204上，該基底平臺204可被認為為該吸熱屏提供平臺。基底平臺204附連到或定位在塔206上。
[0061]一般地，管屏210需要至少一個管程240、上集管242和下集管250。傳熱流體從入口集管流到出口集管(例如，此處的上集管可以是入口集管)，并且在管程中被來自定日鏡的太陽能加熱。各管程240包括至少一個管，而一般包括多個這樣的管。在圖2中，示出了具有多個(這里為四個)管程的管屏。在此所述的管屏和管程都是未加束縛的的管結(jié)構(gòu)以允許各管間不同的膨脹，由此減小管應力。可以使用例如特制高溫黑漆來涂覆或油漆管的各暴露面以增加/最大化吸熱。相鄰的管程被布置成使得傳熱流體以蜿蜒的方式向上流過一個管程并向下流過另一管程?？梢允褂酶鞣N流體流動布置方式以方便傳熱流體的排出并最小化通氣口和排泄閥的數(shù)量。此處箭頭表示一種流體流動布置方式。
[0062]在圖3中，示出了兩個加強結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，各加強結(jié)構(gòu)從第一側(cè)邊緣216向第二側(cè)邊緣218橫過管屏的第一面222和第二面224延伸。在此，第一加強結(jié)構(gòu)401處于第一支承高度225處，第二加強結(jié)構(gòu)402處于第二支承高度226處。這兩個加強結(jié)構(gòu)平行布置。如以下進一步解釋的，各加強結(jié)構(gòu)由兩個支承組件形成，其中在管屏的每個面上有一個支承組件。各支承組件都包括支承管。在此，在該第一面上的支承管400是可見的。支承管406在第二面上提供加強結(jié)構(gòu)。
[0063]一般地，加強結(jié)構(gòu)的數(shù)量可以取決于承受風力和地震載荷的管屏的最大非支承長度。在此方面，管屏210可以考慮為分成上區(qū)230、中區(qū)232和下區(qū)234，這些區(qū)一般(但非必需)將該管屏的暴露部分沿其高度分成相等的區(qū)。圖中示出了處于上區(qū)230中的第一加強結(jié)構(gòu)401和處于下區(qū)234中的第二加強結(jié)構(gòu)402。換句話說，加強結(jié)構(gòu)通常不定位在中區(qū)。這使得加強結(jié)構(gòu)在峰值熱流區(qū)外，并且降低了它們的工作溫度。應當考慮的是，加強結(jié)構(gòu)包括會由某種傳熱流體冷卻的支承管，該種傳熱流體可以與穿過管屏的傳熱流體相同或不同。例如，使用油或水可以消除啟動或停機期間熔鹽在加強結(jié)構(gòu)中凝固的可能性。在此，加強結(jié)構(gòu)被描述為由連接到上集管242和下集管250的支承管400部分形成，其使用的傳熱流體與穿過管屏210的傳熱流體相同。加強結(jié)構(gòu)401、402是在管屏210的表面222上延伸的支承管400的部分。該線路被最終設計成最小化溫度和應力、允許加強結(jié)構(gòu)獨立熱膨脹并且最小化啟動期間流體凝固的可能性。該加強結(jié)構(gòu)的外表面可以被涂漆或涂覆成降低/最小化吸熱。
[0064]在圖4中，結(jié)構(gòu)支承架(不可見；參見圖2)被示出為安裝有熱罩，熱罩以保護該設計的某些零件不暴露于來自定日鏡的集中陽光。結(jié)構(gòu)支承架300在圖4中不可見，但在圖2中可見。在此，第一熱罩340構(gòu)造出(框出形成)管屏210的第一面222。而第二熱罩360 (不可見；參見圖5)構(gòu)造出管屏的第二面224。在此方面，熱罩340包括內(nèi)邊緣342，內(nèi)邊緣342形成該熱罩中的窗口，通過該窗口可以看到管屏210。虛線示出了管屏210、上集管242和下集管250的輪廓。如所示，該熱罩的內(nèi)邊緣342抵接管屏的側(cè)邊緣216、218，但是也可以布置成在管屏的該熱罩和側(cè)邊緣之間具有空隙以減少熱量向熱罩上的溢出。各熱罩340、360也可以考慮為都具有上表面、第一側(cè)表面、第二側(cè)表面和下表面。第一熱罩和第二熱罩一般由耐熱材料制成。熱罩也可以涂覆或油漆上反射高溫白漆以減少/最小化吸熱和/或工作溫度。
[0065]圖5是太陽能接收器的外部側(cè)視圖。在此，第一熱罩340和第二熱罩360是可見的。圖中也示出了暴露的第一面222和暴露第二面224。在此示出的結(jié)構(gòu)支承架的基底302寬于該結(jié)構(gòu)支承架的頂端304，此提供了額外的穩(wěn)定性。應當注意的是，熱罩370也處于結(jié)構(gòu)支承架300的側(cè)部上。
[0066]如圖3中所示，加強結(jié)構(gòu)用以支承并加強管屏。圖6至圖8A是加強結(jié)構(gòu)的一個示例性實施例的不同視圖。圖6是該示例性實施例的平面圖(即俯視圖)。圖7是該示例性實施例的側(cè)部剖視圖。圖8是該示例性實施例的前視圖。圖8A是其立體圖。
[0067]參照圖6，加強結(jié)構(gòu)401由定位于該管屏相對的兩個暴露面上的第一支承組件410和第二支承組件470形成。(返回參照圖3，第一支承組件410是支承管400的部分，第二支承組件470是支承管406的部分。)各支承組件410包括支承管420、水平凸緣430和扇貝形棒440。支承管420應考慮為中空的并允許冷卻流體從中穿過。水平凸緣430從該支承管向內(nèi)朝向管屏210延伸。水平凸緣430內(nèi)具有槽432。如所示，兩個支承組件上的水平凸緣430、472彼此相對。扇貝形棒440具有接合管屏210的波狀表面和在相對的表面上的凸耳448。該扇貝形棒由穿過凸耳448和槽432的銷450連接到該支承管。該扇貝形棒由穿過焊接到某些屏管上的凸耳454的銷452被緊密地保持(但未固定)到屏管460上，并且該扇貝形棒接合一個或多個屏管。將扇貝形棒440保持在管460和銷452之間的凸耳454相對將扇貝形棒440連接到支承管420的凸耳448偏離。此允許屏管和扇貝形棒沿豎直方向獨立于相對固定(豎直方向上)的支承組件進行一致的熱膨脹。保護性套筒446可以定位在所示屏管和扇貝形棒之間以當扇貝形棒和屏管之間發(fā)生任何相對運動(滑動接觸)時保護管免于磨損和/或刨削。應當注意的是，在此只描述了一對凸緣和凸耳430、478，但是在各支承組件上可以具有其它的凸緣和凸耳以防止屏扭轉(zhuǎn)并保持屏之間的對齊。類似地，只示出了附連到支承管420的一個扇貝形棒440，但是可以沿該支承管使用多個扇貝形棒，以例如當寬屏內(nèi)或?qū)捚林g的管之間的豎直熱膨脹有大的差異時，按需要加強單個寬的寬屏或多個寬屏。而且，各扇貝形棒440可以具有多個凸耳448。該加強結(jié)構(gòu)可以由結(jié)構(gòu)支承架(參見圖3)支承。支承管可以附連或連接到該支承架的豎直柱，雖然未按此方式示出這些豎直柱。
[0068]該加強結(jié)構(gòu)允許管屏內(nèi)各管進行獨立熱膨脹，并且允許加強結(jié)構(gòu)和支承管進行獨立熱膨脹。扇貝形棒和支承管之間的銷/槽布置允許支承管以獨立于管屏中管的徑向膨脹方式而進行軸向膨脹。(注意:支承管的軸線垂直于管屏中的管的軸線)。
[0069]上述支承系統(tǒng)允許各管460以各管間具有最小空隙的、各管正切的方式進行布置。此降低了穿過空隙的光的能量損失，并且因此增加了接收器的吸熱和效率。在此可以看到各管460，它們的中部462沿該管屏的中線405。也可以考慮對該管的布局進行其它變型。
[0070]現(xiàn)在參照圖7，在一些實施例中，支承組件的支承管420的直徑可以與管屏的任一管460的直徑不同，以使支承管具有額外剛度，并且用以加強該屏，并遮蓋與該支承組件相關聯(lián)的零件，由此降低零件的工作溫度。在一些實施例中，支承管的直徑425大于管屏中任一管460的直徑465。支承管420可以認為具有內(nèi)表面422和外表面424，其中，外表面暴露于來自定日鏡的反射陽光中?？梢酝扛不蛴推嵩撝С泄艿耐獗砻?24以減少/最小化吸熱和/或工作溫度。
[0071]參照圖3，具體可以考慮加強結(jié)構(gòu)的至少三種變型。第一，組成加強結(jié)構(gòu)401、402的支承管400、406連接到上集管242和下集管250，使得它們使用與流過管屏210的流體相同的傳熱流體。然而，可以考慮支承管使用不同冷卻流體的其它實施例。此可以通過例如將各支承管連接到獨立的集管上而實現(xiàn)。第二，在此示出的支承管400為加強結(jié)構(gòu)401、402提供支承組件。在其它實施例中，加強結(jié)構(gòu)可以使用獨立的支承管制得。例如，支承管可以橫過第一支承高度225延伸，但是不橫過第二支承高度226上延伸回來；如果必要，不同的支承管可以用于第二支承高度226處的加強結(jié)構(gòu)。第三，如所示，加強結(jié)構(gòu)401使用兩個獨立的支承管400、406?？梢詷?gòu)想只有一個支承管用于加強結(jié)構(gòu)的其它實施例。這可以例如通過將支承管形成為環(huán)繞管屏的長方形環(huán)面(torus)而實現(xiàn)。該單個支承管會提供與屏的第一表面相鄰的加強結(jié)構(gòu)401，然后包裹處于相同高度上的屏，并提供與屏的另一表面相鄰的加強結(jié)構(gòu)。在第二加強結(jié)構(gòu)高度402處也可以通過相同的支承管或不同的支承管來實現(xiàn)。
[0072]也應當注意的是，在圖3中，各支承管在同一側(cè)上連接到管屏的上集管和下集管。例如支承管400沿第一側(cè)邊緣216同時連接到上集管242和下集管250。應當理解的是，此可以是不同的。例如，如果僅有一個加強結(jié)構(gòu)，那么支承管400可以沿第一邊緣216連接到上集管242，然后橫過第一表面并沿第二側(cè)邊緣218連接到下集管。
[0073]圖9是該管屏的放大正視圖，其中移除了加強結(jié)構(gòu)。一般而言，管屏500包括多個管程510，在此示出了四個管屏。各管程都包括彼此平行的一個或多個管512。管512在入口集管514和出口集管516之間通過以形成來自定日鏡的、聚焦的太陽能所能夠被導向到的體部或壁部537。管程510使用跨接管502互連。管程510在豎直方向或軸向上被組織成使得傳熱流體沿交替上下方向流過管程，此以箭頭505表示。在流動方向上的這種變化方式在本文中稱作蜿蜒流道(蛇形流道)。
[0074]該流道開始于入口 504，并終止于出口 506。應當注意的是，如果具有偶數(shù)個管程510，那么可以沿管屏500的共同邊緣508或504定位入口 504和出口 506。可替換地，如果使用了奇數(shù)個管程，那么可以在管屏500的相對邊緣508或544上定位入口 504和出口506。換句話說，按照接收器的設計需要，入口和出口獨立地定位在頂部邊緣544或底部邊緣508處。如在此所述，入口 504和出口 506都沿頂部邊緣544進行定位。
[0075]入口集管是相對于流動方向定義的。因此，對于管程530，集管531被考慮為入口集管，而集管532被考慮為出口集管。然而，對于鄰近的管程540，集管542被考慮為入口集管，而集管541被考慮為出口集管。管程的集管也可以被指定為上集管531、541、551、561和下集管532、542、552、562，其中上集管定位在下集管的上方。換句話說，一套集管532、542、552,562定位在下平面508中，而另一套集管531、541、551、561定位在上平面544中。
[0076]再參照管程530，管536形成體部537。各管緊密間隔并且彼此平行。上集管531具有寬度533，而下集管532具有寬度534。在一些考慮的實施例中，并且如所示，體部537的寬度538可以大于集管的寬度533、534。換句話說，體5部37可以比下集管532和上集管531寬。寬度是在水平方向上測量的。各管屏的上集管和下集管的寬度相同。體部537的寬度與下集管和上集管532、531的寬度之間的比值可以至少為1.01:1，并且可以在1.0l至1.5的范圍內(nèi)。此允許相鄰管屏的各邊緣管之間的間隔與一個管屏內(nèi)各管之間的緊密間隔相同。在這樣的實施例中，相鄰管屏的上集管會在側(cè)向上彼此隔開。相鄰管屏的下集管也會在側(cè)向上彼此隔開。此可以允許管屏由于工作溫度不同而相對彼此進行不同程度的膨脹。
[0077]圖10示出了流體流過雙重暴露吸熱屏600的示意圖。開始，上引管670從冷儲存罐652中提供冷流體到入口容器660中，例如，“冷”熔鹽可以從溫度大約為550° F的冷儲存罐中被泵送。入口管672流體地將入口容器660連接到管屏入口 674。圖中也示出了位于管程之間的跨接管696。出口管678流體地將管屏出口 676連接到出口容器662。傳熱流體(HTF)可以從入口容器660流過管屏684到達出口容器662。下引管688從出口容器662向下引回到水平面，在此處，“熱”流體可以流入熱儲存罐650中。
[0078]入口容器660是可選擇的并且不是必要的，圖中使用虛線示出，例如，如果傳熱流體是蒸汽/水時。出口管678和出口容器662也是可選擇的并且不是必要的，其由虛線示出。如果沒有出口容器，傳熱流體從管屏出口 676通過出口管691直接流到下引管688。旁路管線690也將上引管670連接到下引管688。如果需要，該旁路流道可以阻止傳熱流體流過管屏684。
[0079]此完成了能量收集過程。在傳熱流體中所儲存的熱能可以用于產(chǎn)生蒸汽和電能。例如，此可通過將熱的傳熱流體從熱儲存罐650泵送通過熱交換器654的殼側(cè)而實現(xiàn)。水進入熱交換器654的管側(cè)并轉(zhuǎn)化成蒸汽。蒸汽可以被送到汽輪機656，汽輪機656驅(qū)動發(fā)電機658。然后，離開熱交換器的、較冷的傳熱流體返回到冷儲存罐652中，在此，該傳熱流體被泵送到接收器以重復上述能量收集過程。
[0080]對于熔鹽接收器，管屏必須是充分可排放的并且是可通風的。當日落而不使用時或有效太陽能太低時，該接收器通常被排放。熔鹽在接近430° F(221°C，494° K)的溫度時凝固。如果不排放，鹽可能在管內(nèi)凝結(jié)，阻塞接收器并且可能使管破裂。如在此所看到的，太陽能接收器可以包括用于各獨立流道的通氣閥692，這些通氣閥都通過下引管688的頂部進行通氣。該通氣閥通常定位在下引管688的頂部附近，并且也示出的通氣管線694將各流道連接到下引管。通常為每對管程設置一個排泄閥697，并且排泄閥697定位在管程的下方。排泄管線698也被示出了，并且連接到下引管688，使得存在于管屏中的熔鹽被排出并流入下引管688。通氣閥和排泄閥是自動控制的。
[0081]應當注意到，在圖10中，所示各管為相對直的流道。然而，本領域普通技術人員應當理解的是，它們在布置方式和長度上的實際設計由適應太陽能接收器工作期間由于熱膨脹和收縮所引起的預期運動所需的撓性程度決定。因此，可能的是，其它彎曲或長度是必要的，以提供這樣的撓性。
[0082]圖11是示出了管屏210的下集管250的側(cè)部剖視圖。如前所述，管屏通過上集管連接到該結(jié)構(gòu)支承架。應當考慮的是，該下集管被導引。此允許管屏在豎直方向上不受限制的進行熱膨脹，同時仍舊在水平方向上限制風力和地震載荷的影響。在此，示出了用以導引下集管的一個設計。該下集管250和在此的相關結(jié)構(gòu)未暴露于陽光，因為它們由熱罩遮蓋。管屏210朝遠離下集管250的方向延伸。附連到下集管的是一對水平凸緣252，同時銷254穿過豎直定向的導引槽256。由于管屏210沿軸向膨脹或收縮，下集管250可以在導引槽256中移動。導引槽本身可以視情況連接到諸如基底平臺或結(jié)構(gòu)支承架等穩(wěn)定基底上。
[0083]圖12是另一太陽能接收器設計的立體圖，而圖13是同樣設計的平面圖。該設計使用兩側(cè)吸熱的屏，其中一個屏490處于另一屏491的上方。如圖13所看到的，此兩個屏被定向成垂直于彼此，如角度496所示的，但是該角度可以變化。
[0084]圖14是另一太陽能接收器設計的平面圖，在此使用了四個兩側(cè)吸熱的屏。在此，該四個吸熱屏490、491、492、493處在同樣的高度或水平線上。該四個吸熱屏的第一側(cè)邊緣被布置以形成內(nèi)部正方形497。該布置也可以稱作加號形設計或十字形設計。
[0085]圖14的設計可以被一般化為具有三個或更多的兩側(cè)吸熱屏的設計，其中，吸熱屏的第一側(cè)邊緣被布置以形成內(nèi)部多邊形。因此，吸熱屏被設置成如同從該內(nèi)部多邊形延伸的輪輻。例如，具有三個吸熱屏的內(nèi)部多邊形可以是三角形的。圖15是使用六個吸熱屏490、491、492、493、494、495的設計的平面圖。最終的內(nèi)部多邊形498具有六邊形。該內(nèi)部多邊形可以用以包含不應暴露于集中陽光的其它零件。
[0086]吸熱屏的數(shù)量和管大小可以設計成為給定太陽能接收器的熱功率定額和相應的流體流量提供足夠的冷卻。然而，本發(fā)明的太陽能接收器是靈活，并且只要管的金屬溫度和應力是可接受的，則可以根據(jù)太陽能接收器所需的熱功率定額和相應的流體流量來使用不同數(shù)量的管屏和/或管尺寸。
[0087]已參照示例性實施例描述了本發(fā)明。明顯地，在閱讀和理解了前述【具體實施方式】后，其他人可以進行修改和變動。意圖是如果這些修改和變動落在所附權利要求或等同內(nèi)容的范圍內(nèi)，那么本發(fā)明應理解為包括所有這些修改和變動。
【權利要求】
1.一種雙重暴露的吸熱屏，包括: 管屏，所述管屏包括用以遞送傳熱流體的多個豎直管，其中，所述多個豎直管由至少一個上集管和至少一個下集管互相連通，并且其中，所述管屏具有第一暴露面、相對的第二暴露面、上邊緣、下邊緣、第一側(cè)邊緣和第二側(cè)邊緣；和 結(jié)構(gòu)支承架，所述結(jié)構(gòu)支承架沿所述管屏的所述上邊緣、所述第一側(cè)邊緣和所述第二側(cè)邊緣延伸。
2.如權利要求1所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，至少一個屏支承桿在所述結(jié)構(gòu)支承架和所述至少一個上集管之間延伸。
3.如權利要求1所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，所述豎直管被布置成多個相鄰的管程，所述相鄰的管程被布置成使得傳熱流體向上流過一個管程然后向下流過另一個管程。
4.如權利要求1所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，還包括第一加強結(jié)構(gòu)，所述第一加強結(jié)構(gòu)在第一支承高度處從所述管屏的所述第一側(cè)邊緣到所述第二側(cè)邊緣橫過所述第一暴露面和所述第二暴露面延伸。
5.如權利要求4所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，所述加強結(jié)構(gòu)由第一支承組件和第二支承組件形成，各所述支承組件包括: 支承管； 從所述支承管延伸并在內(nèi)部具有槽的水平凸緣；以及 接合所述管屏的一個或多個豎直管并具有至少一個凸耳的扇貝形棒，所述扇貝形棒由穿過所述至少一個凸耳和所述水平凸緣的所述槽的銷而接合所述水平凸緣。
6.如權利要求5所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，各所述支承組件的所述支承管具有不同于所述管屏中任意管的直徑。
7.如權利要求4所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，還包括第二加強結(jié)構(gòu)，所述第二加強結(jié)構(gòu)在第二支承高度處從所述管屏的所述第一側(cè)邊緣到所述第二側(cè)邊緣橫過所述第一暴露面和所述第二暴露面延伸。
8.如權利要求7所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，所述第一支承高度和所述第二支承高度不處于所述管屏的中區(qū)。
9.如權利要求1所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)支承架包括第一豎直柱、第二豎直柱以及從所述第一豎直柱的上端到所述第二豎直柱的上端延伸的上水平梁。
10.如權利要求1所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)支承架還包括構(gòu)造出所述管屏的所述第一暴露面的第一熱罩，和構(gòu)造出所述管屏的所述第二暴露面的第二熱罩。
11.如權利要求1所述的雙重暴露的吸熱屏，其特征在于，所述至少一個下集管被導引。
12.—種太陽能接收器，包括至少一個雙重暴露吸熱屏，其中，所述雙重暴露吸熱屏包括: 管屏，所述管屏包括用以遞送傳熱流體的多個豎直管，其中，所述多個豎直管由至少一個上集管和至少一個下集管互相連通，并且其中，所述管屏具有第一外表面、與所述第一外表面相對的第二外表面、上邊緣、下邊緣、第一側(cè)邊緣和第二側(cè)邊緣； 結(jié)構(gòu)支承架，所述結(jié)構(gòu)支承架沿所述管屏的所述上邊緣、所述第一側(cè)邊緣和所述第二側(cè)邊緣延伸，所述管屏通過所述至少一個上集管連接到所述結(jié)構(gòu)支承架；以及 至少一個加強結(jié)構(gòu)，所述加強結(jié)構(gòu)從所述管屏的所述第一側(cè)邊緣到所述第二側(cè)邊緣橫過所述第一外表面和所述第二外表面延伸。
13.如權利要求12所述的太陽能接收器，其特征在于，具有兩個雙重暴露吸熱屏，其中，一個吸熱屏處于另一個吸熱屏的上方并且被定向成與所述另一個吸熱屏成一定角度，或者具有四個雙重暴露吸熱屏，其中，所述四個雙重暴露吸熱屏的第一側(cè)邊緣被布置以形成內(nèi)部多方形。
14.如權利要求12所述的太陽能接收器，其特征在于，具有三個或更多的雙重暴露吸熱屏，其中，所述吸熱屏的第一側(cè)邊緣被布置以形成內(nèi)部多方形。
15.一種太陽能系統(tǒng)，所述太陽能系統(tǒng)包括權利要求12所述的太陽能接收器和構(gòu)造成將陽光朝所述太陽能接收器進行導向的鏡場。
【文檔編號】F24J2/52GK103930737SQ201280056269
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年11月15日 優(yōu)先權日:2011年11月16日
【發(fā)明者】D·T·瓦西盧克, D·L·克拉夫特, J·A·珀爾辛格, J·M·馬歇爾, M·J·阿爾布雷克特 申請人:巴布科克和威爾科克斯能量產(chǎn)生集團公司