用于高效率定焦聚光式太阳能热发电厂的装置和方法
【专利说明】用于高效率定焦聚光式太阳能热发电厂的装置和方法
[0001] 巧关申请的香叉引用
[0002] 本申请要求2项美国优先权的利益，它们是美国临时专利申请61/814, 765,申请 日是2013年4月22日，W及美国临时专利申请61/892, 660,申请日是2013年10月18日， 在此通过引用并入它们的全部。
[0003] 巧术领场化
[0004]本发明设及聚光式太阳能热发电厂。特别是，在某些实施方案中，本发明提出了新 颖的带有跟踪机制的可变聚光比太阳能集热器和I-D或2-D模块化固定热接收器和它们的 几何构型。运些配置提供了较高的热转换效率。
【背景技术】
[0005] 太阳能热转换设及对大区场地的太阳能福射的重定向，使得重定向的太阳福射照 射到较小的热接收器。阳光的重定向最常见的就是用大量的反射器来实现。热接收器具有 一个目标区场地，比所述反射器的总太阳能聚光面积小得多。运导致在热祀（热接收器和 换热器）内，因此，黑体福射热损失被减少（从而提高了效率）。
[0006] 由于太阳在全天相对于地球表面的任何一个点做恒定的运动，可W提供跟踪机制 W维持在白天的聚集效果。跟踪机制有两个基本设计：可移动目标设计和固定目标设计。 抛物面和槽式分别为第一类型的2维和1维例子，并且塔和线性菲涅尔分别为第二类型的 2维和1维例子。
[0007] 固定目标设计的太阳能发电厂通常利用多个反射器，每个由单独的跟踪机构支承 (也称为定日镜，术语"定日镜"在一些上下文中也可W用于指任何聚光型太阳能动力系统， 其中目标保持静止，光束通过活动的反射器转向到目标上），同时保持接收器（目标）固 定在塔上。在过去的四十年里，固定目标太阳能热电厂在很大程度上专注于利用一个单一 的大型目标塔，太阳跟踪反射器的大场分布在环形段的90度W上的弧形。例如，建于上世 纪70年代的太阳能一号试验发电厂的功能在于，1818个相同的反射器分布在一个环形区 场地，测量近0. 5英里跨越，其中包括一个90米的塔。随后塔式太阳能聚光器包括太阳能 二号（向最接近太阳能一号的圆的环形区场地的外周添加108个附加的较大的反射器）， SPP-5 (乌克兰，1600个分布在环形区场地的反射器），普兰塔太阳能10和普兰塔太阳能 20化24个反射器和1255个反射器分别分布在各个塔的从圆的相反侧大约90°到180°的 环形段）。太阳能热电厂的艾文帕群集在2013年和2014年开始发电，其特征是有=个塔， 每个485英尺高，有超过173500个定日镜分布在他们之中（艾文帕的单位1具有53527个 定日镜，而艾文帕的单位2和3分别有60000个定日镜）。
[0008] 由于入射光不垂直于所述反射器的焦平面时反射器的旋转角度改变，每个反射器 在常规塔设计的光学焦距发生改变，每个单独的反射器相对于所述目标的聚光比保持相对 较低为常规太阳能热塔系统，即在1到3之间。聚光比之间是总反射面积用于通过接收器 的目标面部区场地分割的反射器的比值。例如采用1 :1的比例，来自平面镜的结果具有相 同的反射表面面积和形状作为目标的面部区场地（在实践中，运样的反射器可能仍需要一 个微小曲率的程度，W补偿的角分散阳光过距离-曲率的量依赖于目标表面和反射器之间 的距离）。较高的聚光比可W通过利用凹反射来实现；然而，凹面反射单位反射光线沿方向 比他们的焦点方向等时遭受大睹坡效率。为了弥补阳光的自然扩散角，常规塔系统通常利 用较大的实质上是平面的反射器（有轻度弯曲度）具有约单独的太阳能聚光比为3 :1或更 小（W避免反射光的过去流溢目标和降低制造成本）；由于运样的聚光比当反射光线沿方 向比他们的焦点方向等相关时的效率睹坡各1个跟踪反射，目前常规塔系统不超过太阳能 聚光比大于3 :1。
[0009] 为了实现W补偿黑体福射的损失需要的高聚光比，传统的塔式系统通常需要数百 (有时超过1000个）跟踪反射器。由于每个跟踪反射器需要跟踪机制，因此大的反射器，例 如，40平方米到120平方米，通常被用来保持降低成本。
[0010] 在可动的目标系统，每个反射器具有被固定在相对于反射器的空间自身的接收器 单位。跟踪器将导致跟踪太阳使得所述反射器单位总是引导太阳光到相应的接收器（其与 反射器一起移动）的反射器。
[0011] 在固定和可动目标的设计中，传热液体可W通过接收器累送，加热，例如，W产生 蒸汽，然后进入满轮机或其他发电结构。
[0012] 传统的固定目标系统相对于传统的移动目标系统有很多优点：1)由于减少了加 速转矩，独立的反射器的跟踪器比带有可移动接收器的反射器的跟踪器便宜得多（即使运 样的系统平衡消除了扭矩，该跟踪驱动电机仍必须克服在反射器与悬臂接收器的惯性效 应）；2)固定目标系统不需要借道定日镜的多轴转动关节（其通常通过用于传热流体的设 备需要昂贵的馈传热液体，并通常具有大大降低的热流体管路的长度在的2维的情况下）； 和3)非常高的光学全聚光比可在目标面来实现。然而，与常规的可动目标系统相比，常规 塔系统有一些缺点，：1)平均光余弦损失大，因为反射器和接收器都很少直列与太阳；运种 损失可大如塔太阳能热电厂23%，并且甚至在线性菲涅尔发电厂大；2)在塔式太阳能热电 厂的情况下，为了保持该太阳能聚光比大，整体成本足够低，大量反射器场是必要的，例如， 通常数百或数千反射器，从而在使光衰减在空气中非常显著，运在大气浑浊的地方（或在 大气中的微粒聚光）极为有害；3)在1维的情况下，相比于1维槽集光器（带有移动目标）， 实际的光学聚光比大大减少。
[0013] 在本发明中，我们提出了新颖的设计原理、设备和方法，W显着克服塔系统的缺 点，同时保持塔系统的优点。
【发明内容】
[0014] 本发明提供的各种实施例的一般方法和设备都用WW解决上述问题。
[0015] 在一些实施方案中，用于塔式太阳能热系统的聚光器模块被限制在一个小的邻接 于塔的矩形区场地内，W减少光学余弦损失。在一些实施方案中，太阳热能发电厂可包括大 量的塔，每一个塔的峰值功率在大约20kW-lMW的范围内；每个塔可W依次具有数量相对较 少的被限制于上面提到的相应的小的矩形区场地的聚光器模块。在一些实施例中，每个聚 光器模块可W具有一个单独的比3大得多的聚光比。此外，为了最大限度地提高塔太阳能 热系统的总聚光比，每个聚光器模块可W具有单独的聚光比，根据每个聚光器模块相对于 塔和接收器的位置而变化。在一些实施例中，每个聚光器模块可W包括许多较小的反射器， 有或没有曲率，具有相对于聚光器模块的旋转框架的某些预装的初始角度，W降低风压和 成本。在一些其他实施方案中，聚光器模块可W是一个简单的单件式的抛物面反射器。在一 些实施方案中，塔接收器可W利用真空绝热，W允许在塔接收器中使用"选择性吸收涂层"。 除了在此讨论的实施例或实现方式中，下列实施例也本文所讨论的。
[0016] 实施例1，一种具有太阳能发电厂的太阳能发电系统，包括：接收器模块，该接收 器模块具有祀面，祀面配置成聚光入射到该祀面的太阳能，所述祀面具有祀面中屯、；一组聚 光器模块，该组聚光器模块中的每个聚光器模块都配置为将日光重定向到接收器模块的祀 面上，至少90%的聚光器模块位于一个矩形区场地，该矩形区场地的大致与地球经度方向 对准的方向上的长度不超过lOh，大致与地球缔度方向对准的方向上的宽度不超过h，该组 聚光器模块中的所有聚光器模块的旋转轴实质上定义了平均中平面；W及塔，该塔将接收 器模块维持在平均中平面上方的距离h处。在实施例1的替代方案中，90%的聚光器模块 可W位于一个矩形区场地，该矩形区场地的大致与地球经度方向对准的方向上的长度不超 过化或化，大致与地球缔度方向对准的方向上的宽度不超过h。
[0017] 实施例2 :实施例1的太阳能发电系统，其中，所述矩形区场地起始于塔且在大致 经度方向上延伸W远离地球赤道。
[001引实施例3 :实施例1或2的太阳能发电系统，每个聚光器模块都包括：一个太阳跟 踪机构，由太阳跟踪机构支撑的一个框架，W及多个反射器，其中，多个反射器包括中屯、反 射器，每个反射器被框架支撑，并且每个反射器被配置成反射入射到反射器的光，使得当光 从平行于一个矢量的方向到达反射器时从反射器反射出的光聚光在祀面中屯、，该矢量穿过 祀面中屯、和中屯、反射器，中屯、反射器与该矢量垂直。
[001引实施例4 :实施例1至3的任一项的太阳能发电系统，其中所述聚光器模块包括反 射器阵列，反射器阵列为X行Y列，其中X选自W下任意一个数字：5,6,7,8,9，和10，Y选自 W下任意一个数字：5,6, 7,8, 9,和10。
[0020] 实施例5 :实施例1至4的任一项的太阳能发电系统，其中，配置为将日光重定向 到接收器模块的祀面上的遍及所有聚光器模块的平均余弦效率为0. 85或更高。
[002。 实施例6 :实施例1至4的任一项的太阳能发电系统，其中，至少一个太阳跟踪机 构具有两个相交的旋转轴。
[0022] 实施例7 :实施例1至6的任一项的太阳能发电系统，其中，至少一个聚光器模块 中的至少一个反射器是平面镜。
[0023] 实施例8 :实施例1至7的任一项的太阳能发电系统，其中，至少一个聚光器模块 中的至少一个反射器是凹面镜。
[0024] 实施例9 :实施例1至8中的任一项的太阳能发电系统，其中，h为5-10米。
[002引实施例10 :实施例1至8中的任一项的太阳能发电系统，其中，h为5-15米。
[0026] 实施例11 :实施例1至8中的任一项的太阳能发电系统，其中，h为5-25米。
[0027] 实施例12 :实施例1至9中的任一项的太阳能发电系统，其中，该组聚光器模块包 括3-30个聚光器模块。
[0028] 实施例13 :实施例1至12中的任一项的太阳能发电系统，其中，在所述矩形区场 地中，聚光器模块被布置成实质上经度定向的1-3列。
[002引实施例14 :实施例13的太阳能发电系统，其中，在每一列上聚光器模块被进一步 布置成实质上缔度定向的3-10行。
[0030] 实施例15 :实施例1至14中的任一项的太阳能发电系统，其中，所述太阳能发电 系统具有1列5行的聚光器模块。
[0031] 实施例16 :实施例1至15中的任一项的太阳能发电系统，其中，该组聚光器模块 中的至少一个包括具有分布在整个框架的实质上矩形阵列的聚光器的至少一个聚光器模 块。
[003引实施例17 :实施例16的太阳能发电系统，其中，具有分布在整个框架的实质上矩 形阵列的聚光器的至少一个聚光器模块在实质上矩形阵列的四个最外拐角处不具有反射 器。
[0033] 实施例18 :实施例16或17的太阳能发电系统，其中，具有分布在整个框架的实质 上矩形阵列的聚光器的至少一个聚光器模块在最接近实质上矩形阵列的四个最外拐角中 的每个拐角的=个阵列处不具有反射器。
[0034] 实施例19 :实施方案16至18的任一项的太阳能发电系统，其中，至少一个聚光器 模块具有反射器的分布在整个框架的实质上的矩形阵列，矩形阵列具有在最靠近地球赤道 的聚光器模块的第一部上的W及在与最远离地球赤道的聚光器模块的第二部上的反射器 的行数相比的聚光器模块的旋转的俯仰轴的一侧的W及在聚光器模块的旋转的俯仰轴的 另一侧的至少一个附加的水平行的反射器。
[0035] 实施例20 :实施例16至19的任一项的太阳能发电系统，其中，至少一个聚光器模 块的中屯、反射器是平面镜，其它的反射器是凹反射器。
[0036] 实施例21 :实施例1至20的任一项的太阳能发电系统，其中，至少一个聚光器模 块的至少90 %的反射器在春分或秋分的上午8:00和下午4:00具有相对于祀面中屯、的水平 方向上0-0,4米且垂直方向上0-0. 4米的聚焦误差。
[0037] 实施例22 :实施例1至21的任一项的太阳能发电系统，其中，至少一个聚光器模 块中的每个反射器是祀面的正交维度的大约50%，并且具有祀面表面区场地的大约25% 的反射区场地。
[003引实施方式23 :实施例1至22中的任一项的太阳能发电系统，还包括：一个或多个 附加的太阳能发电厂，每一个都具有接收器模块、塔、和实施例1中所述的一组聚光器模 块，其中，所述一个或多个附加的太阳能发电厂被布置成使得每个附加的太阳能发电厂的 矩形区场地的实质上的纵向边缘实质上邻接于任何邻近的太阳能发电厂的矩形区场地的 实质上的纵向边缘。
[003引实施例24 :实施例1至23中的任一项的太阳能发电系统，其中，接收器模块包括： 至少带有第一透明部的第一真空室、第一真空室的第一入口、第一真空室的第一出口、W及 在第一真空室内跨过第一真空室的半径排列成线性阵列的多个第一管段，其中，第一管段 排列在与祀面平行的平面上，第一管段通过第一真空室的第一透明部可照明，第一真空室 被配置成提供围绕多个第一管段的真空环境，多个第一管段与所述第一入口和第一出口流 体连通。
[0040]实施例25 :实施例24的太阳能发电系统，还包括產少带有第二透明部的第二真 空室、第二真空室的第二入口、第二真空室的第二出口、W及在第二真空室内跨过第二真空 室的半径排列成线性阵列的多个第二管段，其中，第二管段排列在与祀面平行的平面上，祀 面是位于多个第一管段和多个第二管段之间的平面，第二管段通过第二真空室的第二透明 部可照明，第二真空室被配置成提供围绕多个第一管段的真空环境，多个第二管段与所述 第二入口和第二出口流体连通。
[0041] 实施例26 :实施例24或25的太阳能发电系统，其中，管段的部分被涂有选择性吸 收涂层。
【附图说明】
[0042] 图IA是说明将光学余弦效应（1减去百分比能量损失由于余弦角）作为反射器和 塔之间的相对距离的函数表示为一个示例性场所的塔的高度的示意图。
[0043] 图IB是将图IA所示的光学余弦效应曲线应用于太阳能一号/太阳能二号太阳能 热电站的示意图。
[0044] 图IC是将图IA所示的光学余弦效应曲线应用于艾文帕-1太阳能热电站的示意 图。
[0045]图2是示出了用于一个示例性的塔式太阳能发电站的示例性的聚光器模块上的 反射器的初始角度的图表，与本发明的相关方面一致。
[0046] 图3A是示出的用于一个示例性的塔式太阳能发电站的聚光器模块场地布置的例 子的示意图，与本发明的相关方面一致。
[0047] 图3B是示出的用于一个示例性的塔式太阳能发电站的聚光器模块场地布置的例 子的示意图，与本发明的相关方面一致。
[0048]图4是示出了用于一个示例性的塔式太阳能发电站的示例性的聚光器模块的布 置的图表，与本发明的相关方面一致。
[0049] 图5是示出聚光器模块上的反射器在地球坐标系上的一天不同时间的跟踪角的 示意图，与本发明的相关方面一致。
[0050] 图6是示出聚光器模块上的反射器的一天不同时间的跟踪太阳的普通单位矢量 的旋转的示意图，每个反射器具有用于2维模组合式塔式太阳能发电