[发明专利]太阳能接收器、冷却太阳能接收器的方法和功率生成系统

说明书

技术领域

本公开涉及用于捕获太阳辐射并将其转化为工作流体的热能的太阳能接收器。本公开还涉及一种冷却太阳能接收器的方法和一种包括这种太阳能接收器的功率生成系统。

背景技术

使用可再生能源的功率生成系统的领域包括能量从太阳的辐射转化成有用功，该有用功接着可用来生成诸如电力之类的功率。可借以实现该转化的一种手段是通过诸如液体或气体之类的工作流体的太阳能加热，该流体一旦被加热接着便可用来驱动某种形式的涡轮以生成电力。根据此原理操作的系统可采用以精确方式设置在太阳能接收器周围以将来自太阳的辐射反射到太阳能接收器的特定区域上的大型抛物面反射镜阵列。以这种方式，实现了允许将远远大于否则通过扩大太阳能接收器或某种形式的聚光透镜将可实现的量的太阳辐射引导到太阳能接收器。太阳能接收器周围的关键因素是：太阳辐射能量与所生成的有用功之间的转化效率；包含确保太阳能接收器是否能够耐受其在被聚集的太阳辐射下所经历的高温的冷却问题；以及系统在操作环境如沙漠方面的机械稳固性，沙漠常常存在诸如沙尘暴和温度范围之类的问题。

两种形式的太阳能接收器为直接式太阳能接收器和间接式太阳能接收器。直接式太阳能接收器允许太阳辐射直接穿过窗户传送到工作流体，该工作流体方便地为诸如空气的气体。在此情形中，太阳辐射直接作用在工作流体上并引起热能的随之上升。在间接式太阳能接收器系统中，太阳辐射被某种材料如通常为金属的固体表面中断以致不能直接到达工作流体，并且该固体表面被太阳辐射加热且其然后经由某种形式的热动力传递与工作流体换热。

间接式太阳能接收器已被证实比直接式太阳能接收器更稳固，因为它们不需要太阳辐射必须穿过以便到达工作流体的透明材料。这种透明材料可采取石英窗或类似物的形式，其能够耐受高温但对于诸如灰尘和碎屑之类的环境因素还是相对脆弱，其中形成了小的裂纹，由此随着其温度上升而经窗口蔓延并由此引起整个太阳能接收器系统的故障。相比之下，间接式太阳能接收器系统是有利的，因为它避免了系统对这些相对脆弱的元件的任何需求，尽管其代价是从太阳辐射到工作流体的能量传递率减小。

一旦工作流体已被适当地加热，其接着便可通过某种形式的热交换器或燃烧系统，以进一步升高工作流体的温度以供诸如与发电机连结的燃气涡轮之类的发电系统使用。

系统的效率取决于被有效地捕获并传递到工作流体的进入太阳能接收器的太阳辐射的量，继而取决于能量转化为用于驱动发电机的有用功的效率。限制太阳能接收器达到最大效率的一个问题在于来自太阳能接收器表面的再辐射回到大气中，这样被再辐射的这种能量对于功率生成目的而言被损失。因此有利的是提供一种尽可能限制再辐射程度的系统。使太阳能接收器的效率最大化的又一因素是限制来自工作流体的热能在到达功率生成子系统之前损失到其周围环境中。在工作流体被加压的情况下，需要在工作流体流经的通道周围提供压力密闭密封，并且该压力密闭密封由于接收器构件所经历的显著温度范围而难以形成。密封件的损坏将引起不希望的工作流体排出，这可导致总体损坏太阳能接收器并且至少将降低传热过程的效率。

本公开旨在减轻这些问题以提供一种具有提高的效率的太阳能接收器系统。

发明内容

本公开的第一方面提供了一种用于捕获太阳辐射的太阳能接收器，该太阳能接收器包括中空辐射捕获元件、辐射接收孔口以及元件周围的流动通道，加压工作流体在太阳能接收器操作期间通过该通道以从辐射捕获元件吸收热能。

优选地，该通道充填有工作流体流经的多孔材料，该多孔材料与辐射捕获元件接触，并且其中，工作流体经由该多孔材料吸收前述热能的至少一部分。该多孔材料可为包括例如碳化硅的网状多孔陶瓷泡沫。

优选地，通往流动通道的入口设置成将工作流体冲击在辐射捕获元件接近辐射接收孔口的前部的周边上，由此工作流体对辐射捕获元件的前部的周边的冲击冷却减少了经孔口出来的被捕获能量的再辐射。该冲击冷却还减小了辐射捕获元件在辐射接收孔口附近的前部对太阳辐射的吸收所导致的热应力。

优选地，该太阳能接收器还包括用于辐射捕获元件的壳体，并且辐射捕获元件具有用于以压力密闭方式将该元件固定在壳体的一部分上的向外延伸的凸缘。

该向外延伸的凸缘可通过夹具固定在壳体部上，并且为了有利于压力密闭密封，可在以下中的一个或两个之间设置垫片：a)凸缘与壳体；以及b)凸缘与夹具。

该或每个垫片可包括从包括石墨、陶瓷纤维和镍基超合金的组合中选择的材料，但在目前，优选地是石墨。

优选地，用于工作流体的流动路径设置成将工作流体冲击在向外延伸的边缘的周边上以使其冷却。