专利名称：用于太阳能聚焦发电设备的热载体系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能聚焦发电设备的热载体系统，特别是用于抛物面槽式太阳能聚焦发电设备，可以为工业和家庭使用。应该看到，本文的术语“太阳能聚焦发电设备”是指以下任何太阳能发电设备，其中太阳辐射通过透镜(如菲涅尔透镜)或适当形状的镜子(如抛物面反射镜)或抛物面槽或现有技术中已知的其它任何适当的装置聚焦在包含在合适容器(例如接收管)中的热载体上，从而利用所产生的热量。
背景技术：
聚焦太阳能以获得热量来源的原则或许可以是阿基米德发现的。然而只有在近代，太阳能聚焦发电设备才成为可行。特别是最可靠的技术使用抛物面的槽作为热太阳能聚焦器。太阳能发电设备包括串联连接起来的、由线性的抛物面收集器制成的、且沿数百米长的平行线设置的模块化结构。每个收集器由抛物面形的反射器制成，其将太阳光聚焦在沿焦线(focal line)放置的接收管上。热载体的流体通过接收管道泵出，将热量提供到位于太阳能发电设备中心的热电站。所述热量用于产生蒸汽，所述蒸汽使电涡轮发电机组运行。第一个这种类型的发电设备在80年代初在莫哈韦沙漠(Mojave Desert)修建。在欧洲最大的发电设备-Andasols目前在西班牙按照相同的基本方案建立。所有这些工厂使用易燃的和有毒的矿物油作为热力工作流体。这种导热油是有局限的，特别是大约400°C的最高温度。超过这个阈值，存在点燃燃烧反应的相当大的风险。这意味着，所述工厂的效率必然是偏低的。在意大利的Enea实验室中，已经开发了阿基米德计划以克服导热油的局限。在这种情况下，工作流体是通常作为肥料使用的熔融盐的混合物，即60%的硝酸钠和40%的硝酸钾。它们可以安全地用于高达约550°C，但仍然存在的严重问题是在低于约200°C时它们会凝固。这意味着主回路必须在夜里也保持工作，使用储存的热或者甚至利用外部能源来加热。此外，由于有效的蒸汽涡轮机在至少500°C的温度操作，所储存的有效热量是有限的。这种太阳能聚焦发电设备的两个重要组成部分是(在太阳能集热器中的)接收管和蓄热器。目前市场上最先进的接收管是所谓Angeloantoni (安吉拉通力)的接收管，它也是在阿基米德计划的框架中开发的。它是由一个通过超黑技术变黑的金属管构成，所述金属管插入到一个玻璃管中。在金属管和玻璃管之间形成真空以产生有效的热绝缘。总体来说，这个管是非常有效的，但也是易碎的，因为两个同心的管由不同的材料即玻璃和金属制成，它们具有不同延展系数。如果所述回路保持为总是以在高端下连续流动的工作流体来操作，这一限制不是特别严重，但在其中工作流体被暂停以冷却的任何情况下，它都是不可接受的。然而，蓄热器允许在长时间没有太阳辐射的情况下也产生蒸汽。在有些情况下，如Andasol发电设备，其中热储存在熔融的盐库中。阿基米德计划也是这样做的。更创新的计划是澳大利亚克伦刻里(Cloncurry)发电设备，它是一种塔式发电设备，与槽式发电设备的方案完全不同，它将热存储在塔顶部的纯化石墨块中。但是由于散热是一种严重的限制， 仍然没有人试图将热储存超过几个星期的较长时间段。有关太阳能聚焦发电设备的专利或专利申请也是已知的。WO 2009/004476公开了一种采用熔盐技术来生产和积累太阳能模块组件。所述组件包括用于积累熔盐的箱、用于捕捉太阳光线的反射体、管状集热器、抛物状本体、传递回路和返回回路。管式集热器面对抛物状的本体，所述传递和返回回路在其一侧与所述箱连通，且在其另一侧与集热器连通以通过所述集热器提供熔盐。蓄热箱设置在位于集热器下面的一个位置，所述传递回路和返回回路被设置为能够通过熔盐的重力而卸料到蓄热箱中。WO 79/01004描述了一个太阳能系统，包括收集器、接收器、热能蓄能器和热能转移系统。收集器用来收集和聚焦太阳辐射，与收集器相关的接收器用于将收集器聚焦的辐射转换成热能，热能转移系统用于将从收集器接收到的热能传输至热能蓄能器。热能蓄能器包括易熔盐的混合物。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于太阳能聚焦发电设备的热载体系统，它将以简单和经济有利的方式解决以上所讨论的一些弊端。根据本发明，权利要求1中提供了用于太阳能聚焦发电设备特别是用于抛物面槽式太阳能聚焦发电设备的热载体系统，其中包括固态热载体。特别是，通过基于固态热载体的固态系统克服了太阳能聚焦发电设备的大部分目前的限制，所述固体热载体优选地通过螺旋传输器推出。所要求的固态系统优选地需要新的环形的接收管以及新的固态的地热蓄热器-交换器，具有在内部的过热蒸汽发生器和在外部的蒸汽预热器，所述蒸汽预热器允许在高达约800°C的温度中工作。因此通过包括固态热载体的热载体系统提供了更高的整体效率和安全性。所请求保护的发明根据其优选方面提供了一种在固态的热载体，在下文中称为 “SSTV” (固态热载体)，其形状是尺寸在非常小至小型范围内的细粒或颗粒的混合物，所述细粒或颗粒必须具有能产生良好的热导率和容积热容量的特性，其组成必须是这样的-它可以通过一组螺旋传输器被容易地推出穿过所述管道，它在高达至少900°C时都不会经历化学反应，它在正常的工作温度以及在发电设备不工作时都能维持不变的机械和物理性能，它在发电设备停顿和然后重新启动时不会产生问题，而且它不会造成腐蚀问题，而是作为一种自然的润滑剂。该SSTV(固态热载体)的组成可以是变化的，依赖于使用它的不同地理区域和发电设备的用途，即用于产生电力、热水、低温蒸汽或所有情况的结合。然而它是由惰性材料的混合物组成的，所述惰性材料优选地基于熟料化学处理，即硅酸钙和铝酸钙、经过熟料处理的膨胀粘土、高温炉灰渣、纯化石墨，其中空的空间用氦气或其它惰性气体如氩气、氖气完全填满。在发电设备中在装货之前，所有的固体成分必须在炉中在约900°C经过约M小时的烘干程序，以消除所有的挥发性材料，然后必须在密封包装中存放。一旦所述发电设备已被安装和所述SSTV已被装载，优选地引入氦气以替换所有其它气体。当所述发电设备开始运作时，氦气气压在0°c时约为110千帕。因此，上述固态热载体(SSTV)可以用于太阳能聚焦发电设备，特别是抛物面槽式太阳能聚焦发电设备，包括多组的一个或多个太阳能集热器(例如线性抛物面集热器的形式，特别是抛物面槽式的形式)、热交换器、蓄热器和连接管道。所述热载体通过机械装置被推出穿过所述连接管道。特别是，根据本发明的优选实施方案中，所述机械装置可以是螺旋传输器，其以这样一种方式来推动所述固态热载体，即所述路径的高温部分是下降的以便利用重力，而在其中SSTV比较凉的所述路径的上升部分将是所述螺旋传输器工作的地方，从而避免由于热量引起的任何问题。对所述发电设备的有效运作和对利用所述固体热载体系统的整体潜力至关重要的相关特征是收集器的接收管和蓄热器。在根据本发明的包括固态热载体的太阳能聚焦发电设备中，可以使用由耐高温低延展的玻璃或熔融石英制成的环形接收器管。所述环形管通过焊接两个不同直径的圆筒而得到，内层管的外表面用黑体工艺加黑，其必须至少99. 5%的效率，而不是在环形管内形成真空，从而获得一个接收器管，其被证明与目前市场上的接收器相比更耐热冲击，但在热绝缘方面与目前可买到的接收器管相比保持了几乎等同的效率。在根据本发明的所述包括固态热载体的太阳能聚焦发电设备中的另一个重要特征是一个埋在地下的用于储存热量的固态地热蓄能器。所述蓄热器优选地包括外部的金属外壳和内部核心，所述内部核心的材料用于储存热量，可以在高达至少900°C而不发生化学反应，并仅仅通过垫片和由热绝缘材料形成的基部与所述外壳接触，并且剩余部分的空白空间充满了减压氩气，其用作一种高效的热绝缘体，并避免了由于自由氧而产生任何化学反应的风险。所述蓄热器的核心由在用于发电设备的情况下具有良好蓄熱系數的材料如石墨形成，其中快速和高效地进行热交换是很重要的。此外，在用于专门生产热水或低温蒸汽的发电设备的情况下，所述蓄热器的核心可以由导热系数低和容积热容量高的材料如水泥熟料形成，在这里重要的是在几个星期或几个月量级的长期储存，但是有必要在任何时候仅仅提取一小部分的所包含的热量。沿着从蓄热器伸出的SSTV管，可以安装预热器，在这里取决于预热器的长度，可以产生热水和甚至低温蒸汽，其中水/蒸汽以与伸出的SSTV相反的方向移动并且同时将被冷却，不论何时只要所述发电设备处于太阳能收集阶段，否则所述水/蒸汽回路将通过电动阀门被关断。在蓄热器内在外部金属壳和内部核心之间的空白空间中也可以安装预热器，在这里取决于预热器的长度，可以产生热水和甚至低温蒸汽，不论何时只要所述发电设备没有处于太阳能收集阶段，否则所述水/蒸汽回路将通过电动阀门被关断。所述内部和外部的预热器是在需要时产生低温蒸汽的发电设备元件，防止在发电设备的其它部分中结硬壳以及简化水垢。此外在所述蓄热器的内部核心中，将安装具有充分长的蛇形管形状的过热器，不论何时只要需要用所述蒸汽来产生电力，从而具有工作温度为约^(TC且压力为约5兆帕的过热蒸汽。不言而喻，所述整体系统适合在现有的以及新的太阳能聚焦发电设备中实施。
现在参照附图描述本发明，附图显示了本发明的非限制性实施例，其中图1 (a)和1 (b)分别是根据本发明的特定方面的工业用抛物面槽式太阳能聚焦发电设备的示意前视图和侧视图；图2(a)和2(b)分别显示根据本发明的另一个方面的家用抛物面槽式太阳能聚焦发电设备的示意前视图和侧视图；图3(a)_(f)是适于在根据本发明的优选实施方案的抛物面槽式太阳能聚焦发电设备中实施的一个接收器管道的示意图，其中图3(a)是安装在发电设备中的接收器管道的前视图，图3(b)是单独的接收器管道的前视图，图3(c)和(d)是接收器管道的沿线B-Bl 的剖视图，图(e)是单独的接收器管道的顶视图，图3(f)是接收器管道的沿线A-Al的剖视图；图4(a)和4(b)分别是适于在根据本发明的另一个实施方案的工业用抛物面槽式太阳能聚焦发电设备中实施的蓄热器的前视图和顶视图；和图5(a)和5(b)分别是适于在根据本发明的再一个实施方案的家用抛物面槽式太阳能聚焦发电设备中实施的蓄热器的前视图和顶视图。
具体实施例方式参考图l(a)_(b)，其中显示一种工业用槽式太阳能聚焦发电设备，其目的是产生电力。根据本发明的优选方面，所述工业用发电设备包括一连串水平抛物面槽(1)，尤其是环形的接收管(3 ，内部具有过热器C3)的蓄热器( ，内部预热器(4)和外部预热器(5)， 以及连接管道回路，所述具有相应的环形接收管(3 的水平抛物面槽(1)是线性抛物型太阳能集热器的一部分。根据本发明，固态材料被用作在所示太阳能聚焦发电设备内部的热载体。应该注意的是，即使在本说明书中仅仅描述了槽式太阳能聚焦发电设备，但本申请要求保护的发明，即所述SSTV，可以很容易地在本领域已知的任何其它太阳能聚焦发电设备中实施。该SSTV(固态热载体)通过一组螺旋传输器(6)被推入到所述连接管道回路中， 所述螺旋传输器由电动机(7)通过减速齿轮(8)操作。根据本发明的优选实施方案，所述SSTV包括细粒和/或颗粒形式的固态材料(如颗粒范围在100微米至0. 5厘米的熟料材料)，可以用氦气或其它惰性气体填充。总之，本领域技术人员可以理解，可以替换地使用没有任何气态材料的固态材料。根据本发明的优选实施例，如上所述，SSTV包括至少细粒或颗粒形式的熟料材料的混合物，它可以用氦填充。所述熟料材料的混合物也有可能混有一种或多种下列材料 (同样以细粒或颗粒的形式)经过熟料处理的膨胀粘土和/或高温炉灰渣和/或石墨。在所述管(9)中氦气气压由膨胀瓶(10)控制。内部/外部预热器回路由电磁阀(11)、(12)控制。在带有SSTV的连接管道回路内的温度和和压力由一系列传感器(13)监测，而电流分析计(14)监测螺旋传输器的状态。在预热器和过热器内的温度和压力也由传感器(1 监测，蓄热器(16)也是这样。现在参照图2(a)_(b)，其中显示根据本发明的另一个实施例的家用抛物面槽式太阳能聚焦发电设备，其目的是建筑物采暖，它包括一个双轴线的抛物槽(17)，特别是配备有环形接收管(从而构成太阳能收集器的至少一部分)，蓄热器O)，热扩散器G7)，内部预热器(4)和外部预热器( ，以及其中根据本发明使用SSTV的连接管道回路。所述SSTV包括优选为用例如氦的气态材料填充的细粒形式的固态材料，它由螺旋传输器(6)推动，所述螺旋传输器由电动机(7)通过减速齿轮(8)操作。在所述管道(9) 中的氦气气压由膨胀瓶(10)控制。内部/外部预热器回路由电磁阀(11)、(12)控制。所述SSTV管道回路内的温度和压力由一系列传感器(1 监测，而电流分析计(14)监测螺旋传输器的状态。预热器内的温度和压力也通过传感器(1 监测，蓄热器(16)也是这样。参照图3(a)_(f)，其中显示根据本发明的另一个方面的、用作在太阳能收集器内的收集管的、环形形状的、由耐热且低延展的玻璃或熔融石英制成的管道(3 。所述管道 (32)安装在抛物槽中(参见图l(a)_(b)和图2(a)-(b))，它由两个圆筒(33)、(34)形成。 内部圆筒(3 的外表面通过超黑工艺而变黑；两个圆筒(3；3)、(34)焊接在一起，且其中制成真空。接收管(3 通过两个隔热的连接器(36)连接到其它管道，其中每个连接器(36) 具有波纹管(37)以适应可能的变形。现在参照图4(a)_(b)，其中显示用于工业用槽式太阳能聚焦发电设备的蓄热器 (2)，优选地专门用于电力生产(参见图l(a)_(b))。这种蓄热器(2)由外部金属外壳(38) 和由纯化石墨制成的内部核心0 组成，所述内部核心由金属条(39)保持就位，并通过热绝缘材料的间隔层GO)和基部与外壳接触。在所述核心和所述外壳之间的空白空间Gl) 填充减压的氩气或其它惰性气体。所述SSTV管道穿过蓄热器( 。形状为足够长的金属蛇形管的一个蒸汽过热器C3)被插入在所述蓄热器的核心中。形状为足够长的金属蛇形管的一个内部预热器 (4)插入在所述空白空间Gl)内，而外部预热器(5)的形状也是足够长的金属蛇形管并且与所述SSTV管道接触。两者都包裹着热绝缘材料08)。内部预热器(4)和外部预热器(5)连接到带有电磁阀(11)、(12)的过热器(3)。对内部或外部预热器的选择也是通过电磁阀(11)、(12)来完成的。内部预热器中的压力和温度通过传感器(15)监测。而在蓄热器内的温度和压力通过传感器(16)监测。参照图5(a)_(b)，其中显示了专门用于产生热水的、家用的槽式太阳能聚焦发电设备的蓄热器参见图2(a)-(b))，它由外部金属外壳(38)和由熟料制造的内部核心 (49)组成，所述内部核心通过金属带(39)保持就位，并且通过热绝缘材料的间隔层GO)和基部与外壳接触。在所述核心和外壳之间的空白空间(41)填充减压的氩气或其它惰性气体。为了缓解在所述核心内的热分布，插入高导热材料例如铜的金属板G7)。所述SSTV回路穿过所述蓄热器。在所述空白空间 (41)内插入一个形状为足够长的金属蛇形管的内部预热器G)，而形状也是足够长的金属蛇形管的外部预热器( 与所述SSTV回路接触。两者都包裹热绝缘材料08)。所述伸出的内部⑷和外部(5)预热器在它们之间通过由电磁阀(11)、(12)控制的旁路连接。对内部或外部预热器的选择也是通过所述电磁阀(11)、(1 来完成的。在预热器和过热器内的压力和温度通过一系列传感器(1 进行监控。而在蓄热器内的温度和压力通过一系列传感器(16)进行监控。应该注意的是，使用具有尺寸为非常小至小的细粒和/或颗粒的混合物的形式的、固态的热载体是极为有利的，所述热载体具有能够获得良好的蓄热系数和容积热容量的特性，且其成分(例如熟料材料和/或经过熟料处理的膨胀粘土和/或高温炉灰渣和/ 或石墨)是这样的它可以通过一组螺旋传输器被任意地推动穿过连接管道回路，它在高达至少900°C不会经历化学反应，以及在正常工作温度处和在所述发电设备不工作时都保持它的机械和物理性能不变，并且当所述发电设备停顿和之后重新启动时不会产生问题， 它不会造成腐蚀问题，而是实际上作为自然的润滑剂。包含上述特征的本发明具有以下几个优点a) SSTV的使用给太阳能聚焦发电设备提供了更高的效率，特别是具有抛物槽的太阳能聚焦发电设备，因为它们可以在高达800°C的温度工作，在没有太阳能辐射时可以停止所述加热回路，并且因为它是固态的，所以它更安全，因此它也可以被用来向建筑物供热；b)根据本发明的特定方面实施在太阳能收集器(例如以上描述的抛物槽)中的、 如前所述的具有环形形状的接收管被证实了与目前市场上的那些接收管更耐热冲击，但在热绝缘方面与目前可买到的那些接收管相比保持了几乎等同的效率；c)根据上面的描述和附图，存储在埋在地下的、固态的地热蓄能器中的热量允许非常小的热耗散。根据所述蓄热器的蓄热核心所使用的材料，既可以将热量存储一段很长时间(在按月计的量级)以产生热水，也可以有效地调节蒸汽的生产以用来发电。d)所述外部预热器允许冷却SSTV，以回收大部分热量并进一步降低热耗散。
权利要求
1.一种用于太阳能聚焦发电设备的、包括热载体的热载体系统，特征在于所述热载体是固态热载体。
2.根据权利要求1的热载体系统，特征在于所述固态热载体包括至少一种细粒和/或颗粒形式的材料。
3.根据权利要求2的热载体系统，特征在于所述固态材料的细粒和/或颗粒的范围为 100微米至0. 5厘米。
4.根据权利要求3的热载体系统，特征在于所述细粒和/或颗粒形式的固态材料包括至少熟料材料。
5.根据权利要求3或4的热载体系统，特征在于所述细粒和/或颗粒形式的固态材料包括被熟料加工的膨胀粘土和/或高温炉灰渣和/或石墨。
6.根据权利要求1的热载体系统，特征在于所述固体热载体用气态材料填充。
7.根据权利要求6的热载体系统，特征在于所述气态材料选自惰性气体。
8.根据权利要求6或7的热载体系统，其特征在于所述气态材料是氦。
9.一种太阳能聚焦发电设备，包括一个或多个太阳能收集器、热交换器、蓄热器和连接管道回路，特征在于所述发电设备包括固态热载体，所述固态热载体通过机械装置被推动穿过所述回路。
10.根据权利要求9的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述固体热载体包括用气态材料填充的、细粒和/或颗粒形式的固态材料。
11.根据权利要求9的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述机械装置是螺旋传输器。
12.根据权利要求9的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述收集器包括环形接收管。
13.根据权利要求9的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述蓄热器被埋在地下。
14.根据权利要求9或13的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述蓄热器包括外部外壳、 热绝缘体和内部核心，其中连接管道回路穿过所述内部核心。
15.根据权利要求14的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述外部外壳是金属的，且所述内部核心包括熟料和/或石墨和/或铜。
16.根据权利要求9至15中任一权利要求的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述发电设备是抛物面槽式太阳能聚焦发电设备。
17.根据权利要求9至15中任一权利要求的太阳能聚焦发电设备，特征在于所述收集器包括至少一个镜头。
全文摘要
本发明涉及一种可供工业和家庭使用的用于太阳能聚焦发电设备的热载体系统，特别是用于抛物面槽式太阳能聚焦发电设备，包括固态热载体。优选的太阳能聚焦发电设备包括一个或多个太阳能收集器、热交换器、蓄热器和连接管道回路，其中固态热载体通过机械装置推入所述管道中。
文档编号F24J2/34GK102203520SQ200980144609
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月10日 优先权日2008年9月12日
发明者P·哈拉贝利亚, P·德马笛诺 申请人:因特纽电子有限公司, 斯特姆哥有限公司