用于高效率定焦聚光式太陽能熱發(fā)電廠的裝置和方法
【專利說明】用于高效率定焦聚光式太陽能熱發(fā)電廠的裝置和方法
[0001] 巧關申請的香叉引用
[0002] 本申請要求2項美國優(yōu)先權(quán)的利益，它們是美國臨時專利申請61/814, 765,申請 日是2013年4月22日，W及美國臨時專利申請61/892, 660,申請日是2013年10月18日， 在此通過引用并入它們的全部。
[0003] 巧術(shù)領場化
[0004]本發(fā)明設及聚光式太陽能熱發(fā)電廠。特別是，在某些實施方案中，本發(fā)明提出了新 穎的帶有跟蹤機制的可變聚光比太陽能集熱器和I-D或2-D模塊化固定熱接收器和它們的 幾何構(gòu)型。運些配置提供了較高的熱轉(zhuǎn)換效率。
【背景技術(shù)】
[0005] 太陽能熱轉(zhuǎn)換設及對大區(qū)場地的太陽能福射的重定向，使得重定向的太陽福射照 射到較小的熱接收器。陽光的重定向最常見的就是用大量的反射器來實現(xiàn)。熱接收器具有 一個目標區(qū)場地，比所述反射器的總太陽能聚光面積小得多。運導致在熱祀（熱接收器和 換熱器）內(nèi)，因此，黑體福射熱損失被減少（從而提高了效率）。
[0006] 由于太陽在全天相對于地球表面的任何一個點做恒定的運動，可W提供跟蹤機制 W維持在白天的聚集效果。跟蹤機制有兩個基本設計：可移動目標設計和固定目標設計。 拋物面和槽式分別為第一類型的2維和1維例子，并且塔和線性菲涅爾分別為第二類型的 2維和1維例子。
[0007] 固定目標設計的太陽能發(fā)電廠通常利用多個反射器，每個由單獨的跟蹤機構(gòu)支承 (也稱為定日鏡，術(shù)語"定日鏡"在一些上下文中也可W用于指任何聚光型太陽能動力系統(tǒng)， 其中目標保持靜止，光束通過活動的反射器轉(zhuǎn)向到目標上），同時保持接收器（目標）固 定在塔上。在過去的四十年里，固定目標太陽能熱電廠在很大程度上專注于利用一個單一 的大型目標塔，太陽跟蹤反射器的大場分布在環(huán)形段的90度W上的弧形。例如，建于上世 紀70年代的太陽能一號試驗發(fā)電廠的功能在于，1818個相同的反射器分布在一個環(huán)形區(qū) 場地，測量近0. 5英里跨越，其中包括一個90米的塔。隨后塔式太陽能聚光器包括太陽能 二號（向最接近太陽能一號的圓的環(huán)形區(qū)場地的外周添加108個附加的較大的反射器）， SPP-5 (烏克蘭，1600個分布在環(huán)形區(qū)場地的反射器），普蘭塔太陽能10和普蘭塔太陽能 20化24個反射器和1255個反射器分別分布在各個塔的從圓的相反側(cè)大約90°到180°的 環(huán)形段）。太陽能熱電廠的艾文帕群集在2013年和2014年開始發(fā)電，其特征是有=個塔， 每個485英尺高，有超過173500個定日鏡分布在他們之中（艾文帕的單位1具有53527個 定日鏡，而艾文帕的單位2和3分別有60000個定日鏡）。
[0008] 由于入射光不垂直于所述反射器的焦平面時反射器的旋轉(zhuǎn)角度改變，每個反射器 在常規(guī)塔設計的光學焦距發(fā)生改變，每個單獨的反射器相對于所述目標的聚光比保持相對 較低為常規(guī)太陽能熱塔系統(tǒng)，即在1到3之間。聚光比之間是總反射面積用于通過接收器 的目標面部區(qū)場地分割的反射器的比值。例如采用1 :1的比例，來自平面鏡的結(jié)果具有相 同的反射表面面積和形狀作為目標的面部區(qū)場地（在實踐中，運樣的反射器可能仍需要一 個微小曲率的程度，W補償?shù)慕欠稚㈥柟膺^距離-曲率的量依賴于目標表面和反射器之間 的距離）。較高的聚光比可W通過利用凹反射來實現(xiàn)；然而，凹面反射單位反射光線沿方向 比他們的焦點方向等時遭受大睹坡效率。為了彌補陽光的自然擴散角，常規(guī)塔系統(tǒng)通常利 用較大的實質(zhì)上是平面的反射器（有輕度彎曲度）具有約單獨的太陽能聚光比為3 :1或更 ?。╓避免反射光的過去流溢目標和降低制造成本）；由于運樣的聚光比當反射光線沿方 向比他們的焦點方向等相關時的效率睹坡各1個跟蹤反射，目前常規(guī)塔系統(tǒng)不超過太陽能 聚光比大于3 :1。
[0009] 為了實現(xiàn)W補償黑體福射的損失需要的高聚光比，傳統(tǒng)的塔式系統(tǒng)通常需要數(shù)百 (有時超過1000個）跟蹤反射器。由于每個跟蹤反射器需要跟蹤機制，因此大的反射器，例 如，40平方米到120平方米，通常被用來保持降低成本。
[0010] 在可動的目標系統(tǒng)，每個反射器具有被固定在相對于反射器的空間自身的接收器 單位。跟蹤器將導致跟蹤太陽使得所述反射器單位總是引導太陽光到相應的接收器（其與 反射器一起移動）的反射器。
[0011] 在固定和可動目標的設計中，傳熱液體可W通過接收器累送，加熱，例如，W產(chǎn)生 蒸汽，然后進入滿輪機或其他發(fā)電結(jié)構(gòu)。
[0012] 傳統(tǒng)的固定目標系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的移動目標系統(tǒng)有很多優(yōu)點：1)由于減少了加 速轉(zhuǎn)矩，獨立的反射器的跟蹤器比帶有可移動接收器的反射器的跟蹤器便宜得多（即使運 樣的系統(tǒng)平衡消除了扭矩，該跟蹤驅(qū)動電機仍必須克服在反射器與懸臂接收器的慣性效 應）；2)固定目標系統(tǒng)不需要借道定日鏡的多軸轉(zhuǎn)動關節(jié)（其通常通過用于傳熱流體的設 備需要昂貴的饋傳熱液體，并通常具有大大降低的熱流體管路的長度在的2維的情況下）； 和3)非常高的光學全聚光比可在目標面來實現(xiàn)。然而，與常規(guī)的可動目標系統(tǒng)相比，常規(guī) 塔系統(tǒng)有一些缺點，：1)平均光余弦損失大，因為反射器和接收器都很少直列與太陽；運種 損失可大如塔太陽能熱電廠23%，并且甚至在線性菲涅爾發(fā)電廠大；2)在塔式太陽能熱電 廠的情況下，為了保持該太陽能聚光比大，整體成本足夠低，大量反射器場是必要的，例如， 通常數(shù)百或數(shù)千反射器，從而在使光衰減在空氣中非常顯著，運在大氣渾濁的地方（或在 大氣中的微粒聚光）極為有害；3)在1維的情況下，相比于1維槽集光器（帶有移動目標）， 實際的光學聚光比大大減少。
[0013] 在本發(fā)明中，我們提出了新穎的設計原理、設備和方法，W顯著克服塔系統(tǒng)的缺 點，同時保持塔系統(tǒng)的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明提供的各種實施例的一般方法和設備都用WW解決上述問題。
[0015] 在一些實施方案中，用于塔式太陽能熱系統(tǒng)的聚光器模塊被限制在一個小的鄰接 于塔的矩形區(qū)場地內(nèi)，W減少光學余弦損失。在一些實施方案中，太陽熱能發(fā)電廠可包括大 量的塔，每一個塔的峰值功率在大約20kW-lMW的范圍內(nèi)；每個塔可W依次具有數(shù)量相對較 少的被限制于上面提到的相應的小的矩形區(qū)場地的聚光器模塊。在一些實施例中，每個聚 光器模塊可W具有一個單獨的比3大得多的聚光比。此外，為了最大限度地提高塔太陽能 熱系統(tǒng)的總聚光比，每個聚光器模塊可W具有單獨的聚光比，根據(jù)每個聚光器模塊相對于 塔和接收器的位置而變化。在一些實施例中，每個聚光器模塊可W包括許多較小的反射器， 有或沒有曲率，具有相對于聚光器模塊的旋轉(zhuǎn)框架的某些預裝的初始角度，W降低風壓和 成本。在一些其他實施方案中，聚光器模塊可W是一個簡單的單件式的拋物面反射器。在一 些實施方案中，塔接收器可W利用真空絕熱，W允許在塔接收器中使用"選擇性吸收涂層"。 除了在此討論的實施例或?qū)崿F(xiàn)方式中，下列實施例也本文所討論的。
[0016] 實施例1，一種具有太陽能發(fā)電廠的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，包括：接收器模塊，該接收 器模塊具有祀面，祀面配置成聚光入射到該祀面的太陽能，所述祀面具有祀面中屯、；一組聚 光器模塊，該組聚光器模塊中的每個聚光器模塊都配置為將日光重定向到接收器模塊的祀 面上，至少90%的聚光器模塊位于一個矩形區(qū)場地，該矩形區(qū)場地的大致與地球經(jīng)度方向 對準的方向上的長度不超過lOh，大致與地球締度方向?qū)实姆较蛏系膶挾炔怀^h，該組 聚光器模塊中的所有聚光器模塊的旋轉(zhuǎn)軸實質(zhì)上定義了平均中平面；W及塔，該塔將接收 器模塊維持在平均中平面上方的距離h處。在實施例1的替代方案中，90%的聚光器模塊 可W位于一個矩形區(qū)場地，該矩形區(qū)場地的大致與地球經(jīng)度方向?qū)实姆较蛏系拈L度不超 過化或化，大致與地球締度方向?qū)实姆较蛏系膶挾炔怀^h。
[0017] 實施例2 :實施例1的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述矩形區(qū)場地起始于塔且在大致 經(jīng)度方向上延伸W遠離地球赤道。
[001引實施例3 :實施例1或2的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，每個聚光器模塊都包括：一個太陽跟 蹤機構(gòu)，由太陽跟蹤機構(gòu)支撐的一個框架，W及多個反射器，其中，多個反射器包括中屯、反 射器，每個反射器被框架支撐，并且每個反射器被配置成反射入射到反射器的光，使得當光 從平行于一個矢量的方向到達反射器時從反射器反射出的光聚光在祀面中屯、，該矢量穿過 祀面中屯、和中屯、反射器，中屯、反射器與該矢量垂直。
[001引實施例4 :實施例1至3的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中所述聚光器模塊包括反 射器陣列，反射器陣列為X行Y列，其中X選自W下任意一個數(shù)字：5,6,7,8,9，和10，Y選自 W下任意一個數(shù)字：5,6, 7,8, 9,和10。
[0020] 實施例5 :實施例1至4的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，配置為將日光重定向 到接收器模塊的祀面上的遍及所有聚光器模塊的平均余弦效率為0. 85或更高。
[002。 實施例6 :實施例1至4的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，至少一個太陽跟蹤機 構(gòu)具有兩個相交的旋轉(zhuǎn)軸。
[0022] 實施例7 :實施例1至6的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，至少一個聚光器模塊 中的至少一個反射器是平面鏡。
[0023] 實施例8 :實施例1至7的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，至少一個聚光器模塊 中的至少一個反射器是凹面鏡。
[0024] 實施例9 :實施例1至8中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，h為5-10米。
[002引實施例10 :實施例1至8中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，h為5-15米。
[0026] 實施例11 :實施例1至8中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，h為5-25米。
[0027] 實施例12 :實施例1至9中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，該組聚光器模塊包 括3-30個聚光器模塊。
[0028] 實施例13 :實施例1至12中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，在所述矩形區(qū)場 地中，聚光器模塊被布置成實質(zhì)上經(jīng)度定向的1-3列。
[002引實施例14 :實施例13的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，在每一列上聚光器模塊被進一步 布置成實質(zhì)上締度定向的3-10行。
[0030] 實施例15 :實施例1至14中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，所述太陽能發(fā)電 系統(tǒng)具有1列5行的聚光器模塊。
[0031] 實施例16 :實施例1至15中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，該組聚光器模塊 中的至少一個包括具有分布在整個框架的實質(zhì)上矩形陣列的聚光器的至少一個聚光器模 塊。
[003引實施例17 :實施例16的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，具有分布在整個框架的實質(zhì)上矩 形陣列的聚光器的至少一個聚光器模塊在實質(zhì)上矩形陣列的四個最外拐角處不具有反射 器。
[0033] 實施例18 :實施例16或17的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，具有分布在整個框架的實質(zhì) 上矩形陣列的聚光器的至少一個聚光器模塊在最接近實質(zhì)上矩形陣列的四個最外拐角中 的每個拐角的=個陣列處不具有反射器。
[0034] 實施例19 :實施方案16至18的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，至少一個聚光器 模塊具有反射器的分布在整個框架的實質(zhì)上的矩形陣列，矩形陣列具有在最靠近地球赤道 的聚光器模塊的第一部上的W及在與最遠離地球赤道的聚光器模塊的第二部上的反射器 的行數(shù)相比的聚光器模塊的旋轉(zhuǎn)的俯仰軸的一側(cè)的W及在聚光器模塊的旋轉(zhuǎn)的俯仰軸的 另一側(cè)的至少一個附加的水平行的反射器。
[0035] 實施例20 :實施例16至19的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，至少一個聚光器模 塊的中屯、反射器是平面鏡，其它的反射器是凹反射器。
[0036] 實施例21 :實施例1至20的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，至少一個聚光器模 塊的至少90 %的反射器在春分或秋分的上午8:00和下午4:00具有相對于祀面中屯、的水平 方向上0-0,4米且垂直方向上0-0. 4米的聚焦誤差。
[0037] 實施例22 :實施例1至21的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，至少一個聚光器模 塊中的每個反射器是祀面的正交維度的大約50%，并且具有祀面表面區(qū)場地的大約25% 的反射區(qū)場地。
[003引實施方式23 :實施例1至22中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，還包括：一個或多個 附加的太陽能發(fā)電廠，每一個都具有接收器模塊、塔、和實施例1中所述的一組聚光器模 塊，其中，所述一個或多個附加的太陽能發(fā)電廠被布置成使得每個附加的太陽能發(fā)電廠的 矩形區(qū)場地的實質(zhì)上的縱向邊緣實質(zhì)上鄰接于任何鄰近的太陽能發(fā)電廠的矩形區(qū)場地的 實質(zhì)上的縱向邊緣。
[003引實施例24 :實施例1至23中的任一項的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，接收器模塊包括： 至少帶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 在第一真空室內(nèi)跨過第一真空室的半徑排列成線性陣列的多個第一管段，其中，第一管段 排列在與祀面平行的平面上，第一管段通過第一真空室的第一透明部可照明，第一真空室 被配置成提供圍繞多個第一管段的真空環(huán)境，多個第一管段與所述第一入口和第一出口流 體連通。
[0040]實施例25 :實施例24的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，還包括產(chǎn)少帶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及在第二真空室內(nèi)跨過第二真空 室的半徑排列成線性陣列的多個第二管段，其中，第二管段排列在與祀面平行的平面上，祀 面是位于多個第一管段和多個第二管段之間的平面，第二管段通過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圍繞多個第一管段的真空環(huán)境，多個第二管段與所述 第二入口和第二出口流體連通。
[0041] 實施例26 :實施例24或25的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，其中，管段的部分被涂有選擇性吸 收涂層。
【附圖說明】
[0042] 圖IA是說明將光學余弦效應（1減去百分比能量損失由于余弦角）作為反射器和 塔之間的相對距離的函數(shù)表示為一個示例性場所的塔的高度的示意圖。
[0043] 圖IB是將圖IA所示的光學余弦效應曲線應用于太陽能一號/太陽能二號太陽能 熱電站的示意圖。
[0044] 圖IC是將圖IA所示的光學余弦效應曲線應用于艾文帕-1太陽能熱電站的示意 圖。
[0045]圖2是示出了用于一個示例性的塔式太陽能發(fā)電站的示例性的聚光器模塊上的 反射器的初始角度的圖表，與本發(fā)明的相關方面一致。
[0046] 圖3A是示出的用于一個示例性的塔式太陽能發(fā)電站的聚光器模塊場地布置的例 子的示意圖，與本發(fā)明的相關方面一致。
[0047] 圖3B是示出的用于一個示例性的塔式太陽能發(fā)電站的聚光器模塊場地布置的例 子的示意圖，與本發(fā)明的相關方面一致。
[0048]圖4是示出了用于一個示例性的塔式太陽能發(fā)電站的示例性的聚光器模塊的布 置的圖表，與本發(fā)明的相關方面一致。
[0049] 圖5是示出聚光器模塊上的反射器在地球坐標系上的一天不同時間的跟蹤角的 示意圖，與本發(fā)明的相關方面一致。
[0050] 圖6是示出聚光器模塊上的反射器的一天不同時間的跟蹤太陽的普通單位矢量 的旋轉(zhuǎn)的示意圖，每個反射器具有用于2維模組合式塔式太陽能發(fā)電