直线式太阳能集热器系统和太阳能发电机系统的制作方法
直线式太阳能集热器系统和太阳能发电机系统的制作方法
【专利摘要】一种直线式太阳能集热器系统，包括沿南北方向平行布置的反射线路；分别安装在反射线路上的日光反射装置，每个日光反射装置包括用于反射太阳辐射的多个反光镜段；沿东西方向布置在反射线路上方的光接收线路；安装在光接收线路上、用于接收从日光反射装置反射的光线并从光线收集热量的接收器；以及角度调节装置，该角度调节装置用于分别调节各反光镜段，使来自于沿东西方向布置的相邻反射线路的反射光照射在接收器的同一个光接收区上，从而调节聚光比。
【专利说明】直线式太阳能集热器系统和太阳能发电机系统
[0001] 对相关申请的引用
[0002] 本申请基于2012年3月26日提交的日本专利申请2012-68606和2012年11月 9日提交的的日本专利申请2012-247211，并要求这些专利申请的优先权，这些专利申请的 公开内容通过引用整体并入本文。
【技术领域】
[0003] 本发明涉及一种由平行布置的太阳辐射反射线路构成的直线式太阳能集热器系 统以及一种结合有该系统的太阳能发电机系统。
【背景技术】
[0004] 作为一种现有技术的直线式太阳能集热器系统，直线式菲涅尔反射器系统是众所 周知的。
[0005] 图23A是现有技术的直线式菲涅尔反射器的一个例子的透视图；图23B是从光 接收线路的一端观察时该直线式菲涅尔反射器的示意图，例如在如下文献中披露了该现有 技术的直线式菲涅尔反射器：Solar 2004:Life, the Universe and REnewables(《太阳能 2004:生命、宇宙和可再生能源》）中的"Steam-circuit Model for the compact Linear Fresnel Reflector Prototype(紧凑直线式菲涅尔反射器原型的蒸汽回路模型）"，以及美 国专利申请公告US2009/0056703(参考文献1)。
[0006] 如图中所示，现有技术的反射器包括在地面上平行布置的反射线路L1、 L2.......以及按一定的周期横跨平行于所述反射线路的成列反射线路布置的光接收线路 G1、G2.......。在每条反射线路L1、L2.......上，布置有许多作为日光反射装置的矩形 反光镜片H，在每条光接收线路Gl、G2.......上，按一定的间距平行地布置有作为集热器 的接收器。
[0007] 镜片H绕转轴转动的角度被分别控制，以便向各自的相邻接收器R反射入射太 阳辐射。反射光的热量在接收器R处通过集热介质转化为高温水蒸汽。反射线路L1、 L2.......和接收器R都沿南北方向平行布置。反射线路L1、L2.......的角度沿东西方 向调节，从而其上的镜片H可追随太阳的运动，使反射光始终汇聚在接收器R附近。
[0008] 所述太阳能集热器在太阳能发电机系统中使用。目前有正在运转的商用发电站， 例如抛物线集热槽式太阳能发电机系统或中央塔式太阳能发电机系统。抛物线集热槽式太 阳能发电机系统采用槽式抛物面镜，这种抛物面镜在焦点位置具有用于收集太阳辐射的集 热管，作为集热油的集热流体在集热管中流动，集热管产生热能，从而发电。中央塔式太阳 能发电机系统采用带有太阳跟踪装置的平面镜，在中心处具有塔式集热器，用于集中太阳 辐射，并从在塔的顶部中流动的流体获取热量，从而发电。
[0009] 抛物线集热槽式系统发电时的成本较低，但是由于被加热流体的温度较低，因而 工作效率不高。中央塔式系统能产生高温流体，但是由于需要精确的能量汇聚，因而成本效 率不高。
[0010] 另外，与抛物线集热槽式系统或中央塔式系统相比，直线式菲涅尔反射器是一种 简单结构，其刚度较低，用地效率较高，并且不受风的影响。由于它能够实现低成本发电，因 此它是最受关注的可作为商用发电设备的太阳能发电机系统之一。
[0011] 但是，这种直线式菲涅耳型系统的一个缺点是，由于以下原因，它的太阳辐射的光 损耗很大，并且难以实现较高的集热效率。
[0012] 太阳辐射的光损耗是由太阳光线入射到不正对太阳的镜片上所造成的余弦损耗、 从一个镜片反射的太阳光线被另一个镜片遮挡所造成的阻挡效应、或太阳光线入射到被其 它镜片遮挡的镜片上所造成的遮挡效应而导致的。
[0013] 图24示出了余弦损耗和阻挡效应的发生情况。在图中未示出遮挡效应，这种效应 经常发生，尤其是在太阳辐射斜射到镜片上的情况中。
[0014] 如果镜片H相对于地面的倾斜角度很大，或者为了跟踪太阳高度角而大幅度改变 镜片H的转动角度，那么光损耗可能很大。例如，在图24中，直线式菲涅耳型系统的接收器 R处于南北朝向，反射线路上的镜片H沿东西方向倾斜，以反射太阳光线，从而照射其中一 个接收器R。因此，反射线路距接收器R越远，反射线路上的镜片相对于地面的倾角就越大， 因而由于余弦损耗和阻挡效应造成的光损耗就越大。
[0015] 另外，为了从早到晚跟踪太阳轨迹，必须把镜片H的角度调节为大约±45度或更 大。因此，在早晨和傍晚的较低太阳高度角时，由于余弦损耗和阻挡效应，收集的太阳能的 日间变化量尤其大。获得的水蒸汽的温度至多保持在400至500摄氏度，不能达到600摄 氏度以上。
[0016] 从另一个角度说，可以在沿东西方向排列的反射线路上布置大量镜片，以加大所 安装镜片的面积。但是，由于光损耗的增加，远离接收器的镜片不能实现较高的集热效率。 而且，单个接收器只能从有限数目的镜片接收反射光线，因此，若在很大面积上布置大量镜 片，则必须为每组镜片提供一条光接收线路，并且每条光接收线路都需要接收器R，这样才 能收集在每个接收器处接收的反射光线的热能。出于这些原因，现有技术的直线式菲涅尔 反射器能够达到的温度仅在500摄氏度左右。
[0017] 美国专利申请公告2010/0012112 (参考文献2)披露了一种直线式菲涅尔反射器， 其中，反射线路和接收器布置为其长度方向平行于东西方向，目的是减少光损耗，如图25 所示。这种反射器构造为使得反射线路L1、L2.......上的镜片H不沿东西方向相对于太 阳轨迹转动，而仅沿南北方向转动，以便把反射光线导向接收器。
[0018] 采用这种反射器，镜片的南北方向的转动角度很小，每天仅有几度，每年约为±15 度，因而能够显著减少光损耗。通过沿南北方向布置大量镜片以增大反光镜面积，能够增加 接收器所收集的总能量。
[0019] 但是，一个缺点是，参考文献2中的反射器不能调节东西方向的反光镜角度。这会 造成一个问题，即，在早晨和傍晚的较低太阳高度角时，每天收集的能量变化很大，因为镜 片H的直线式收集区从接收器表面的偏移量很大。
[0020] 而且，在参考文献1和参考文件2中的任何一个反射器中，由于反射线路和接收器 是平行布置的，因此太阳光线以几乎一致的直线方式照射接收器。在这种约600摄氏度的 高温辐照区中发生严重的反向辐射，这有可能减少吸收到集热介质中的热能数量。
[0021] 而且，参考文献1中的反射器面临的问题是，由于镜片上的光损耗，其发热温度仅 保持在500摄氏度，并且每天收集的热量变化很大，即使在很大面积上布置大量镜片，也不 能充分提高集热效率，因为镜片距接收器越远，光损耗就越大。
【发明内容】
[0022] 本发明之目的是提供一种直线式太阳能集热器系统，该系统能够减少相对于太阳 高度角的日间变化所发生的收集热量的变化，减少光损耗，并提高热效。
[0023] 根据一个实施例，所述直线式太阳能集热器系统包括沿南北方向平行布置的反射 线路；分别安装在反射线路上的日光反射装置，每个日光反射装置包括用于反射太阳辐射 的多个反光镜段；沿东西方向布置在反射线路上方的光接收线路；安装在光接收线路上、 用于接收从日光反射装置反射的光线并从光线收集热量的接收器；以及角度调节装置，该 角度调节装置用于分别调节各反光镜段，使来自于沿东西方向布置的相邻反射线路的反射 光照射在接收器的同一个光接收区上，从而调节聚光比。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 通过下文的详述并结合附图，本发明的特征、实施方式和优点将变得更加明显，在 附图中：
[0025] 图1示出了一个实施例中的直线式太阳能集热器系统的基本结构；
[0026] 图2示意性地示出了图1所示的反光镜段的结构；
[0027] 图3示出了图1所示的反光镜段沿南北方向和东西方向的转动角度的调节；
[0028] 图4是图1所示的接收器的横截面图；
[0029] 图5A至5C示出了图1所示的光接收线路上的辐照区；
[0030] 图6示出了图1所示的反光镜段的布置方式的一个例子；
[0031] 图7A至7C示出了图1所示的直线式太阳能集热器系统的结构模式的一个例子；
[0032] 图8是图1所示的直线式太阳能集热器系统的结构模型的另一个例子的俯视图；
[0033] 图9A至9C示出了参考文献1中的结构模型；
[0034] 图IOA至IOC示出了参考文献2中的结构模型；
[0035] 图11示出了使用图7A至IOC所示的直线式太阳能集热器系统的结构模型进行集 热模拟的结果；
[0036] 图12示出了采用图1所示的直线式太阳能集热器系统的太阳能发电机系统的一 个例子；
[0037] 图13A和13B示出了第一实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0038] 图14A和14B示出了第二实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0039] 图15A和15B示出了第三实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0040] 图16是第四实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；
[0041] 图17A至17C示出了第五实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0042] 图18示出了图17所示的接收器的基本部份；
[0043] 图19是第六实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的前视图；
[0044] 图20A和20B示出了第七实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0045] 图21A和21B示出了第八实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0046] 图22A和22B示出了第九实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0047] 图23A和23B示出了参考文献1中披露的现有技术的直线式菲涅尔反射器的一个 例子；
[0048] 图24示出了余弦损耗和阻挡效应的影响；以及
[0049] 图25示出了参考文献2中披露的现有技术的直线式菲涅尔反射器的另一个例子。
【具体实施方式】
[0050] 下面将参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。在附图中，尽可能采用相同的标号来指 代相同或相似的部件。
[0051] 首先说明一个实施例中的直线式太阳能集热器系统的基本结构。图1示出了日光 反射装置和接收器的布置方式的一个例子。
[0052] 在图中，这个直线式太阳能集热器系统是直线式菲涅尔反射器，包括一组反射线 路Ll至L8和一条光接收线路G。反射线路Ll至L8在地面上的热接收区Z中沿南北方向 平行布置，在反射线路Ll至L8上安装有日光反射装置1。虽然此示例性集热器系统包括8 条反射线路，但是反射线路的数目不限于8条，可以设置为任意数目。
[0053] 太阳辐射入射到反射线路Ll至L8上的元件上，并从这些元件反射。然后，反射线 路Ll至L8上的日光反射装置1的反光镜被调节至某个角度，以便把太阳辐射反射至光接 收线路G。
[0054] 光接收线路G处于多列反射线路Ll至L8的中心上方的某个位置，并沿东西方向 延伸，或者沿垂直于反射线路Ll至L8的方向延伸。在光接收线路G上安装有接收器2,该接 收器2配置为从日光反射装置1接收太阳辐射的反射光，并从中收集能量。当使用1米X 2 米大小的日光反射装置时，接收器布置在约20米的高度。
[0055] 反射线路Ll至L8需要在地面上精确地朝向南北方向。但是，允许把布置位置从 南北朝向轻微变动，只要光接收线路G上的接收器2能够有效地接收入射在日光反射装置 1上的太阳辐射的反射光。同样，允许把光接收线路的位置从东西朝向轻微变动，只要光接 收线路G上的接收器2能够有效地接收太阳辐射的反射光。
[0056] 图2示意性地示出了图1所示的布置在光接收线路上的反光镜段的结构。在此， 以反射线路Ll上的日光反射装置1的结构为例来说明。
[0057] 在图2中，作为日光反射装置1的反光镜段la、lb、lc、......在地面上的某个区 域中沿行的方向（或南北方向）布置在反射线路Ll上。同样，反射线路L2、L3.......上 的反光镜段也沿行的方向布置。因此，反光镜段la、lb、lc、......沿行的方向布置在热量 接收区Z中。
[0058] 图3示出了如何沿南北方向和东西方向调节每段反光镜的转动角度的方法。
[0059] 在图3中，每列中的反光镜段la、lb、lc、......共同安装在沿南北方向或行的方 向延伸的主转轴X上。主转轴X沿东西方向的转动由列驱动器3控制，以调节反光镜段la、 lb、Ic的转动角度。
[0060] 同时，每行中的反光镜段la、lb、lc.......分别沿垂直于光接收线路G的朝向 (东西朝向）安装在轴Y1、Y2、Y3.......上。它们沿南北方向的转动分别由布置在轴Y1、 Y2、Y3、......上的行驱动器4a、4b、4c、.....控制，以调节反光镜段la、lb、lc、......的 转动角度。
[0061] 反射线路L2、L3.......上的其它日光反射装置1的转动角度也通过上述方式调 节。
[0062] 例如，反光镜段la、lb、lc、......分别设置为南北向长度为I. 〇米和横向长度 (或东西向长度）为2. 0米的标准模块。图1示出了在每条反射线路的两侧顺次布置有两 组图2所示的五段反光镜Ia至Ie的一个例子。每组中的反光镜段的数目以及每条反射线 路上的组数不限于这些数字。
[0063] 而且，从光接收线路算起，每条反射线路的北侧长度和南侧长度不一定相同。在北 半球，太阳轨迹从光接收线路的南侧上方越过，因而，若这种集热器系统安装在北半球，则 反射线路的北侧长度应比南侧长度长，以便使北侧的反光镜面积更大，从而提高集热效率。 反之，若这种集热器系统安装在南半球，则反射线路的南侧长度应比北侧长度长，以提高集 热效率。
[0064] 在安装反射线路的专用区域中，沿行的方向的南北向长度可以比沿列的方向的东 西向长度长。如上所述，接收器沿东西方向布置，反光镜段被调节至某个角度，以照射光接 收线路。因此，若沿行的方向加长反射线路，则与现有技术的直线式菲涅尔反射器相比，能 够减少光损耗。因此，采用可沿南北方向扩展的反光镜段，集热器系统能够获得大量热能， 并且光损耗较少。而且，接收器的东西向长度可比现有技术的直线式菲涅尔反射器的短，从 而能够减少因被吸收热量的反向辐射而造成的热损失。
[0065] 图4是图1所示的接收器的横截面图。接收器2包括六根平行的不锈钢集热管6， 集热管中充有集热介质（例如空气或蒸汽），布置在各列日光反射装置或反射线路Ll至L8 上方，并横跨各列日光反射装置或反射线路Ll至L8,其一端连接至图1所示的热源5。集 热管6配置为接收从日光反射装置1反射的光线，从被反射光加热的集热介质收集热量，并 把热量提供至热源5。
[0066] 而且，集热管6的顶部覆盖有绝热壁7,在集热管6下面布置有具有腔体窗口功能 的吸热网8。绝热壁7具有弧形横截面，围绕平行布置的集热管，并在底部覆盖有吸热网8。 绝热壁7的两端从吸热网8的边缘探出，从而显著减少因绝热壁7内部的上升气流导致的 对流热损失。
[0067] 吸热网8是具有井栏或蜂巢状结构的不锈钢网，允许来自于日光反射装置的反射 光从其中透过并到达内部，但是不允许该反射光的辐射光线逸出。
[0068] 图5A至5C示出了图1所示的光接收线路上的辐照区。辐照区和非辐照区在接收 器2的每根集热管6的整个长度上按一定的间距交替排列。来自于反射线路上的反光镜段 IaUb.......的反射光优选仅照射所述辐照区，从而提高向集热管中的流体传热的传热效 率。
[0069] 图5A示出了在集热管6的整个长度Pl上设置有五个辐照区Fl至F5的一个例子。 在辐照区Fl至F5之间布置有具有一定长度的非辐照区d，并且辐照区Fl至F5在集热管6 的长度Pl上按几乎均等的间距布置。
[0070] 辐照区Fl至F5被来自于反光镜段IaUb.......的反射光照射，从而加热集热管 6中的集热介质。被加热的集热介质从辐照区F5排放至图1所示的热源5。而且，利用绝 热的非辐照区d，能够防止热辐射从这些区域向外逸出，从而能把集热管6中的流体加热到 较高的温度，并排放至热源5。
[0071] 图5B示出了在具有绝热的非辐照区d的长度Pl内相对于集热管的流体温度分 布T1。另一条流体温度分布曲线T2是在没有非辐照区的集热管的情况中当反射光共同 照射在图5C所示的特定区域上时的流体温度分布曲线，以做对比。从图中能够明显看出， T1>T2。
[0072] 因此，通过在每个辐照区Fl至F5的两端布置非辐照区d，不仅能实现从辐照区Fl 至F5经由非辐照区向流体直接传热，还能实现从非辐照区d向流体直接传热，从而增加流 体与强烈加热的集热管6接触的周期长度，并增加从集热管向流体传递的热量。相应地，能 够向热源5提供更高温度的流体。应说明的是，对辐照区Fl至F5和非辐照区5的长度没 有限制，可以根据需要在集热管6的总长度Pl上均等地或不均等地布置辐照区。
[0073] 在图1中，反射线路Ll至L8上的反光镜段la、lb、......的转动角度沿东西方向 按列控制，并且沿南北方向分别独立控制，以便直接接收太阳辐射，并把其向上投射到接收 器2上。
[0074] 每行和每列中的反光镜段la、lb、......的反射光经由吸热网8穿过绝热壁7周 围的空间，并加热集热管6中的集热介质。集热介质被透过集热管的反射光反复加热至很 高温度。被加热的集热介质被输送至热源5,用于产生高温蒸汽，以进行汽轮机发电，或者通 过吸热化学反应被处理为化学燃料。
[0075] 举例来说，在上述的直线式太阳能集热器系统中，反射线路上的反光镜段的间距 是恒定的，不论至接收器2的距离有多大。
[0076] 随着从接收器2至反光镜段的距离增大，相邻反光镜段之间的光损耗会因阻挡效 应而增大。为了防止这个问题，优选沿列的方向把反光镜段之间的间距设为不同的值，使得 反光镜段距光接收线路越远，其间距就越宽。
[0077] 随着距光接收线路的距离增大，反光镜段受阻挡效应的影响会加重。优选通过改 变间距来确保光接收线路G的南侧和北侧的反光镜段之间的空间。或者，从最靠近光接收 线路G的位置开始，把反光镜段划分为多个区，每个区中的反光镜段的数目可变。
[0078] 如上所述，图1所示的直线式太阳能集热器系统包括布置在东西向光接收线路G 上的接收器2,可调节反射线路上的反光镜段IaUb.......的角度，从而使被反光镜段反 射的太阳辐射照射光接收线路G。因此，反光镜段的南北向角度调节量可减小为每天几度或 每年十几度，该角度大约是23. 4度地轴倾角的一半。光损耗量以及反光镜角度的变化量可 以减小到很小的值。
[0079] 而且，对于反光镜段IaUb.......的东西向角度调节，只需沿光接收线路收集 太阳辐射，从而当太阳处于中天时反光镜相对于入射太阳辐射的角度小于现有技术中的角 度。因此，能够减少余弦损耗和相对于日间太阳高度角的变化的光损耗变化。相应地，所收 集能量的日间变化可以减小为很小的值。
[0080] 下面详细说明一个实施例中的直线式太阳能集热器系统的具体基本结构。图6示 出了反光镜段布置方式的一个例子，其中，反射线路的长度设置为210米，光接收线路G位 于安装有接收器2的反射线路中心上方20米处。而且，从最靠近光接收线路G的位置开始， 光接收线路G两侧的一半反射线路（105米）划分为三个35米的区域：D1、D2和D3。Dl区 中的反光镜段的数目为34个，D2区中为30个，D3区中为26个。接收器的宽度为0. 5米。 在接收太阳辐射时，在0. 8千瓦/平方米日照强度下，接收器处收集的热量为400千瓦/平 方米。
[0081] 共布置有70条反射线路，而在接收器内布置20根管。向管的一端注入温度为室 温、压力为10个大气压的风煤气。当以2. 5平方米/秒的流速流过70条反射线路时，在接 收器的出口处，气温被加热至700摄氏度左右。在接收器的输入端收集的能量为400千瓦 /平方米，比现有技术中的直线式太阳能集热器系统收集的能量多五至十倍。70条反射线 路收集的总功率为25兆瓦。
[0082] 下面将参照图7A至IOC说明图1所示的直线式太阳能集热器系统和现有技术中 的系统的结构模型的模拟结果。
[0083] 图7A至7C是图1所示的直线式太阳能集热器系统的结构模型的俯视图、前视图 (从东方观察）和南侧视图。图8是另一个例子的俯视图。图9A至9C是参考文献1中的 结构模型的俯视图、前视图和侧视图，而图IOA至IOC是参考文献2中的结构模型的示意 图。
[0084] 在图7A至7C所示的结构模型（第一个例子）中，8条反射线路Ll至L8按南北朝 向布置，光接收线路G按东西朝向布置在它们的上方，在空间上横跨反射线路Ll至L8。光 接收线路G的南侧和北侧的反光镜段的数目相同，都是四个。每条反射线路的反光镜被调 节为某个角度，以便正确反射垂直入射到光接收线路G上的光线。
[0085] 图8的结构模型（第二个例子）具有与图7所示的结构模型几乎完全相同的结 构。与图7所示的结构模型的不同之处在于，反光镜段相对于光接收线路G以不对称的方 式布置，南侧的反光镜段的数目是1个，而北侧的是7个，布置有反射线路的区域沿行的方 向（南北向）的长度比沿列的方向（东西向）的长度长。如图7所示，每条反射线路的反 光镜被调节为某个角度，以便无误地反射垂直入射到光接收线路G上的光线。
[0086] 在图9A至9C所示的参考文献1的结构模型中，8条反射线路Ll至L8按南北朝向 布置，接收器R按南北朝向布置在反射线路的上方。
[0087] 在图IOA至IOC所示的参考文献2的结构模型中，8条反射线路Ll至L8按东西朝 向布置，接收器R按东西朝向布置在反射线路的上方。
[0088] 图11示出了图7A至图IOC所示的每个结构模型的接收器的照射能量日间变化的 模拟结果。模拟的日期、地点和设定条件如下。
[0089] 日期：2011年3月21日，春分
[0090] 地点：西班牙阿尔梅里亚（纬度：北纬36. 84° ,经度：西经2. 47° )
[0091] 反光镜段的总面积：64平方米
[0092] 接收器长度：11米
[0093] 接收器高度：从地面算起5米
[0094] 如图所示，参考文献1的结构模型在早晨和傍晚时仅在一段很短的时间内产生较 大的辐照能量，而第一和第二例子中的结构模型能在全时段中产生较大的辐照能量。如图 8所示，通过根据纬度以不对称方式布置反光镜段la、lb.......(例如，当在北半球或第 二例子所示的北纬地点安装时，在北侧布置较多的反光镜），可以减少每个反光镜的余弦损 耗，从而增加辐照能量。
[0095]现在，说明采用图1所示的直线式太阳能集热器系统作为中继器的太阳能发电机 系统的一个例子。它可以把预热流体加热至更高温度。
[0096] 图12示出了在塔式太阳能集热器系统11中作为中继器的四个直线式太阳能集热 器系统IOa至IOd的一个例子。通过这种组合方式，四个集热器系统IOa至IOd可分别对 300摄氏度至600摄氏度的预热流体进行加热，塔式太阳能集热器系统11利用收集的热量 进一步把流体加热至800摄氏度。
[0097] 同时，举例来说，为了单纯地使用塔式太阳能集热器系统11收集热量并提高流体 的温度来实现1〇〇兆瓦发电站，塔台的高度必须超过1〇〇米，太阳能集热器场必须覆盖数公 里。这需要巨大的建造成本，因此不可能以很低的成本供电。
[0098] 鉴于此问题，利用图1所示的直线式太阳能集热器系统作为辅助加热器，可以把 流体预热到低于预定温度的某个温度，例如600摄氏度，然后，使用比直线式太阳能集热器 系统更适合于汇聚高热能的另一种集热器系统（例如塔式系统）作为主加热器，把流体加 热到预定温度，例如800摄氏度左右。
[0099] 因此，通过利用图1所示的直线式太阳能集热器系统作为中继器来以两阶段方式 提高温度，能够实现占地面积更小、建造成本更低、集热损失（例如反向辐射）更少的太阳 能发电机系统。
[0100] 下面说明所述直线式太阳能集热器系统的第一至第四实施例。这些实施例之目的 是通过提高光接收线路的聚光比来实现一种热效更高的改进型直线式太阳能集热器系统。
[0101] 首先说明聚光比。已知的是，利用加热集热介质发电的太阳能发电机系统的集热 效率nth可由以下公式（1)表示：
[0102] Hth = Qout/Qin
[0103] 其中，Qout[瓦]是接收器中的集热介质获得的热量，Qin[瓦]是太阳辐射数量 (参见由新太阳能利用手册编委会和日本太阳能学会于2010年5月1日出版的《New Solar Energy Use Handbook》（《新太阳能利用手册》））。
[0104] 热量Qout从集热介质获得的能量和热损失导出，可由以下公式（2)表示：
[0105] Qout=Ib*Aa*nopt*a-Ar*e* 〇 * (Tr4-Ta4)
[0106] 其中，Ib是太阳辐射量[瓦/平方米]，Aa是反光镜的孔径面积[平方米]，nopt 是集热效率，a是接收器的吸热速率，Ar是接收器的集热面积，e是接收器表面的热辐射 率，。是斯特凡_玻耳兹曼常数[瓦/平方米? K4]，Tr是接收器的温度[K]，Ta是环境温 度[K]。
[0107] 而且，太阳辐射量Qin由以下公式（3)表示：
[0108] Qin = Ib*Aa
[0109]把公式（2)、（3)代入公式（1)，可得以下公式（4):
[0110] n th = n opt* a - e * 0 * (Tr4-Ta4) / (Ib*X)
[0111] 其中，X( = Aa/Ar)是聚光比。
[0112] 根据公式（4)，接收器的最高温度Tr，max可由以下公式（5)表示：
[0113] Tr，max4 =X*Ib*nopt*a/ (e* 〇 ) +Ta4
[0114]因此，为了提高集热介质的温度，需要增大聚光比X。在此实施例中，反射线路上的 日光反射装置的反光镜段的角度可独立调节，以调节接收器在东西方向上的光接收位置。 因而可以随意设置接收器在任意东西向位置的聚光比。
[0115] 第一实施例
[0116] 图13A是第一实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；图13B 是该结构模型的侧视图。
[0117] 如图13B所示，两条东西向的相邻反射线路分别向接收器2的一个辐照区或光接 收位置反射光线，从而使辐照区的聚光比X翻倍。这相当于在不改变接收器的集热面积Ar 的前提下使反光镜的孔径面积Aa翻倍。
[0118] 与图7所示的直线式太阳能集热器系统相比，虽然辐照区之间的间距翻倍，但是 利用绝热的非辐照区，能够减少绝热区的热辐射，从而这种集热器系统能够以更高的温度 加热集热介质。
[0119] 第二实施例
[0120] 图14A是第二实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；图14B 是该结构模型的侧视图。
[0121] 此实施例配置为使得辐照区中的聚热比随着距西侧热源的距离减小而增大。艮P， 从东侧算起，由第一和第二条反射线路L8、L7反射的光线汇聚在不同的辐照区上，由第三 和第四条反射线路L6、L5反射的光线汇聚在同一个辐照区上，由第五至第八条反射线路L4 至Ll反射的光线汇聚在同一个辐照区上。
[0122] 因此，通过按照所需热源温度设置接收器2的任意位置的聚光比，第二实施例能 够进一步提高热源的温度。
[0123] 第三实施例
[0124] 图15A是第三实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；图15B 是该结构模型的侧视图。
[0125] 与第二实施例一样，此实施例配置为使得辐照区中的聚热比随着距西侧热源的距 离减小而增大。与第二实施例的不同之处在于，聚光比不是逐渐提高的，而是阶段式提高 的。
[0126] 在图15B中，从东侧算起，由第一至第二条反射线路L8至L5反射的光线汇聚在不 同的辐照区上，由第五和第六条反射线路L4和L3反射的光线汇聚在同一个辐照区上，由第 七至第八条反射线路L2至Ll反射的光线汇聚在同一个辐照区上。第三实施例能实现与第 二实施例相同的效果。
[0127] 第四实施例
[0128] 图16是第四实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图。
[0129] 在此实施例中，每段反光镜的反射面是东西向的曲面。这是为了在不减小反光镜 的孔径面积Aa的前提下减小接收器的集中面积，从而提高聚光比X。曲面的截面可以是任 何曲线，例如圆形、椭圆形、环形或抛物线形。特别是，利用集热管作为聚焦线的圆柱抛物面 能够以更多的光线有效地照射集热管，因为与平面相比，它能防止反射光扩展。
[0130] 第五实施例
[0131] 图17A至17C分别是第五实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的俯视 图、前视图和侧视图。图18示出了接收器21的基本结构。
[0132] 所述直线式太阳能集热器系统包括具有复合式抛物面聚光器77的接收器21，而 不是图7A至7C中的接收器2。
[0133] 在图18中，复合式抛物面聚光器77表面的截面或xy坐标由以下公式（6)至（9) 表不：
[0134]对于0 彡 0 彡（Ji/2)+0 !
[0135] (6)X=±a{sin 0+0 cos(0- )}
[0136] (7)y=a{-cos 0 + 0 sin (0-31)}
[0137]对于（ji/2)+0丄彡 0 彡（3ji/2)-0!
[0138] (8) x=±a{sin 0+pcos ( 0-)}
[0139] (9)y = a {-cos0+psin( 0 - )},其中，p= {Q + Qi+f^/^cos^-Qi)}/ {1+sin( 9 - 9j)}
[0140] 其中，a是集热管6的半径，z轴（未示出）沿集热管6的长度方向，y轴的负侧朝 向天底点，集热管6的中心轴坐标是X = 0, y = 0，0i是复合式抛物面聚光器77的最大入 射角。
[0141] 通过如上定义坐标x、y，能够最大限度地减少反射光的扩散，并以更多的光照射集 热管6。上述公式的推导过程在以下文档Dl和D2中披露：
[0142] Dl :High Collection Nonimaging optics (高集光非成像光学），第 263-266 页， 第一版，1989 年 12 月，作者 W. T. Welford，R. Winston,由 Academic Pr (科学出版社）出版 ISBN-IO:0127428852ISBN-13:978-0127428857
[0143] D2: "Dyna"，77 年，第 163 期，第 132-140 页，麦德林，2010 年 10 月， ISSN0012-7353 ^MODELING OF DIRECT SOLAR RADIATION IN AC0P0UND PARABOLIC COLLECTOR (CPC) WITH THE RAY TRACKINGTECHNIQUE (采用光线跟踪技术对复合式抛物面形 集热器（CPC)中的直接太阳辐射建模）"。
[0144] 上述公式在文档D2的第134页上的第3. 1节中说明，其中的t、0 a对于上述公式 中的0、0 P
[0145] 第六实施例
[0146]图19是第六实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的前视图。
[0147] 所述直线式太阳能集热器系统包括与第五实施例中的相同的接收器21。与第五实 施例的不同之处在于，反光镜段以不对称方式布置，如图8所示，并且光接收线路G的北侧 的反光镜段的数目多于南侧的数目。
[0148]除了反光镜段不对称布置外，复合式抛物面聚光器77的孔径中心的朝向也不同 于第五实施例中的朝向。即，它从第五实施例中的垂直方向倾斜一个角0 2。角02由以下 公式（10)、（11)定义：
[0149]
【权利要求】
1. 一种直线式太阳能集热器系统，包括： 沿南北方向平行布置的反射线路； 分别安装在反射线路上的日光反射装置，每个日光反射装置由多个反光镜段构成，以 反射太阳辐射； 沿东西方向布置在反射线路上方的光接收线路； 安装在光接收线路上的接收器，用于接收从日光反射装置反射的光线，并从光线收集 热量；和 角度调节装置，用于独立地调节反光镜段的角度，使来自于东西向的相邻反射线路的 反射光照射接收器上的同一个光接收区，从而调节聚光比。
2. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括填充有作为流体的集热介质的集热管；以及 集热管划分为被来自于反光镜段的反射光照射的辐照区和布置在辐照区两端的非辐 照区。
3. 如权利要求2所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 辐照区配置为在被反射光加热时向非辐照区传递热量，并使集热管内的流体中发生传 热。
4. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 角度调节装置配置为调节反光镜段的南北向和东西向转动角度。
5. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 每个反光镜段分别包括反射曲面。
6. 如权利要求4所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 角度调节装置配置为整体地调节东西向转动角度和单独地调节南北向旋转角度。
7. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 每个反光镜段是南北向长度两倍于东西向长度的标准模块；以及 两组反光镜段在反射线路上彼此相对地顺次布置，把光接收线路夹在中间。
8. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 为了减少南北向的相邻反光镜段之间由于阻挡或遮挡效应而发生的光损耗，反光镜段 的南北向间距设置为：反光镜段距光接收线路越远，反光镜段的南北向间距就越宽。
9. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 当所述直线式太阳能集热器系统安装在北半球时，从光接收线路算起，反射线路的北 侧长度设置为比其南侧长度长；以及 当所述直线式太阳能集热器系统安装在南半球时，从光接收线路算起，反射线路的南 侧长度设置为比其北侧长度长。
10. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括填充有作为流体的集热介质的集热管，集热管布置在所有日光反射装置的 上方，并且一端连接至热源；以及 集热管配置为从日光反射装置接收反射光，并从被加热的集热介质收集热量。
11. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括平行布置的集热管，并在集热管上方覆盖有绝热壁，还包括布置在集热管 下、具有腔体窗口功能的吸热网； 绝热壁是具有弧形截面的覆盖层，该覆盖层围绕在集热管周围，并且两端从吸热网的 边缘向下探出；以及 吸热网是具有一定厚度的井栏或蜂巢状结构的不锈钢网，允许来自于日光反射装置的 反射光透过该不锈钢网并到达内部，但是不允许该反射光的辐射从该不锈钢网中逸出。
12. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括用于把反光镜段的反射光反射至集热管的复合式抛物面聚光器。
13. -种太阳能发电机系统，包括： 辅助加热器，该辅助加热器利用如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统把流体 加热至比预定温度低的第一温度；以及 主加热器，该主加热器利用比所述的直线式太阳能集热器系统更适合于汇聚高热能的 另一种太阳能集热器系统来把流体的温度提高至作为所述预定温度的第二温度。
【文档编号】F24J2/07GK104321595SQ201380026411
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2012年3月26日
【发明者】佐藤达哉, 铃木光夫, 增田浩二, 上田健, 长尾和也, 北林淳一, 玉浦裕, 金子宏 申请人:株式会社理光, 国立大学法人东京工业大学
【专利摘要】一种直线式太阳能集热器系统，包括沿南北方向平行布置的反射线路；分别安装在反射线路上的日光反射装置，每个日光反射装置包括用于反射太阳辐射的多个反光镜段；沿东西方向布置在反射线路上方的光接收线路；安装在光接收线路上、用于接收从日光反射装置反射的光线并从光线收集热量的接收器；以及角度调节装置，该角度调节装置用于分别调节各反光镜段，使来自于沿东西方向布置的相邻反射线路的反射光照射在接收器的同一个光接收区上，从而调节聚光比。
【专利说明】直线式太阳能集热器系统和太阳能发电机系统
[0001] 对相关申请的引用
[0002] 本申请基于2012年3月26日提交的日本专利申请2012-68606和2012年11月 9日提交的的日本专利申请2012-247211，并要求这些专利申请的优先权，这些专利申请的 公开内容通过引用整体并入本文。
【技术领域】
[0003] 本发明涉及一种由平行布置的太阳辐射反射线路构成的直线式太阳能集热器系 统以及一种结合有该系统的太阳能发电机系统。
【背景技术】
[0004] 作为一种现有技术的直线式太阳能集热器系统，直线式菲涅尔反射器系统是众所 周知的。
[0005] 图23A是现有技术的直线式菲涅尔反射器的一个例子的透视图；图23B是从光 接收线路的一端观察时该直线式菲涅尔反射器的示意图，例如在如下文献中披露了该现有 技术的直线式菲涅尔反射器：Solar 2004:Life, the Universe and REnewables(《太阳能 2004:生命、宇宙和可再生能源》）中的"Steam-circuit Model for the compact Linear Fresnel Reflector Prototype(紧凑直线式菲涅尔反射器原型的蒸汽回路模型）"，以及美 国专利申请公告US2009/0056703(参考文献1)。
[0006] 如图中所示，现有技术的反射器包括在地面上平行布置的反射线路L1、 L2.......以及按一定的周期横跨平行于所述反射线路的成列反射线路布置的光接收线路 G1、G2.......。在每条反射线路L1、L2.......上，布置有许多作为日光反射装置的矩形 反光镜片H，在每条光接收线路Gl、G2.......上，按一定的间距平行地布置有作为集热器 的接收器。
[0007] 镜片H绕转轴转动的角度被分别控制，以便向各自的相邻接收器R反射入射太 阳辐射。反射光的热量在接收器R处通过集热介质转化为高温水蒸汽。反射线路L1、 L2.......和接收器R都沿南北方向平行布置。反射线路L1、L2.......的角度沿东西方 向调节，从而其上的镜片H可追随太阳的运动，使反射光始终汇聚在接收器R附近。
[0008] 所述太阳能集热器在太阳能发电机系统中使用。目前有正在运转的商用发电站， 例如抛物线集热槽式太阳能发电机系统或中央塔式太阳能发电机系统。抛物线集热槽式太 阳能发电机系统采用槽式抛物面镜，这种抛物面镜在焦点位置具有用于收集太阳辐射的集 热管，作为集热油的集热流体在集热管中流动，集热管产生热能，从而发电。中央塔式太阳 能发电机系统采用带有太阳跟踪装置的平面镜，在中心处具有塔式集热器，用于集中太阳 辐射，并从在塔的顶部中流动的流体获取热量，从而发电。
[0009] 抛物线集热槽式系统发电时的成本较低，但是由于被加热流体的温度较低，因而 工作效率不高。中央塔式系统能产生高温流体，但是由于需要精确的能量汇聚，因而成本效 率不高。
[0010] 另外，与抛物线集热槽式系统或中央塔式系统相比，直线式菲涅尔反射器是一种 简单结构，其刚度较低，用地效率较高，并且不受风的影响。由于它能够实现低成本发电，因 此它是最受关注的可作为商用发电设备的太阳能发电机系统之一。
[0011] 但是，这种直线式菲涅耳型系统的一个缺点是，由于以下原因，它的太阳辐射的光 损耗很大，并且难以实现较高的集热效率。
[0012] 太阳辐射的光损耗是由太阳光线入射到不正对太阳的镜片上所造成的余弦损耗、 从一个镜片反射的太阳光线被另一个镜片遮挡所造成的阻挡效应、或太阳光线入射到被其 它镜片遮挡的镜片上所造成的遮挡效应而导致的。
[0013] 图24示出了余弦损耗和阻挡效应的发生情况。在图中未示出遮挡效应，这种效应 经常发生，尤其是在太阳辐射斜射到镜片上的情况中。
[0014] 如果镜片H相对于地面的倾斜角度很大，或者为了跟踪太阳高度角而大幅度改变 镜片H的转动角度，那么光损耗可能很大。例如，在图24中，直线式菲涅耳型系统的接收器 R处于南北朝向，反射线路上的镜片H沿东西方向倾斜，以反射太阳光线，从而照射其中一 个接收器R。因此，反射线路距接收器R越远，反射线路上的镜片相对于地面的倾角就越大， 因而由于余弦损耗和阻挡效应造成的光损耗就越大。
[0015] 另外，为了从早到晚跟踪太阳轨迹，必须把镜片H的角度调节为大约±45度或更 大。因此，在早晨和傍晚的较低太阳高度角时，由于余弦损耗和阻挡效应，收集的太阳能的 日间变化量尤其大。获得的水蒸汽的温度至多保持在400至500摄氏度，不能达到600摄 氏度以上。
[0016] 从另一个角度说，可以在沿东西方向排列的反射线路上布置大量镜片，以加大所 安装镜片的面积。但是，由于光损耗的增加，远离接收器的镜片不能实现较高的集热效率。 而且，单个接收器只能从有限数目的镜片接收反射光线，因此，若在很大面积上布置大量镜 片，则必须为每组镜片提供一条光接收线路，并且每条光接收线路都需要接收器R，这样才 能收集在每个接收器处接收的反射光线的热能。出于这些原因，现有技术的直线式菲涅尔 反射器能够达到的温度仅在500摄氏度左右。
[0017] 美国专利申请公告2010/0012112 (参考文献2)披露了一种直线式菲涅尔反射器， 其中，反射线路和接收器布置为其长度方向平行于东西方向，目的是减少光损耗，如图25 所示。这种反射器构造为使得反射线路L1、L2.......上的镜片H不沿东西方向相对于太 阳轨迹转动，而仅沿南北方向转动，以便把反射光线导向接收器。
[0018] 采用这种反射器，镜片的南北方向的转动角度很小，每天仅有几度，每年约为±15 度，因而能够显著减少光损耗。通过沿南北方向布置大量镜片以增大反光镜面积，能够增加 接收器所收集的总能量。
[0019] 但是，一个缺点是，参考文献2中的反射器不能调节东西方向的反光镜角度。这会 造成一个问题，即，在早晨和傍晚的较低太阳高度角时，每天收集的能量变化很大，因为镜 片H的直线式收集区从接收器表面的偏移量很大。
[0020] 而且，在参考文献1和参考文件2中的任何一个反射器中，由于反射线路和接收器 是平行布置的，因此太阳光线以几乎一致的直线方式照射接收器。在这种约600摄氏度的 高温辐照区中发生严重的反向辐射，这有可能减少吸收到集热介质中的热能数量。
[0021] 而且，参考文献1中的反射器面临的问题是，由于镜片上的光损耗，其发热温度仅 保持在500摄氏度，并且每天收集的热量变化很大，即使在很大面积上布置大量镜片，也不 能充分提高集热效率，因为镜片距接收器越远，光损耗就越大。
【发明内容】
[0022] 本发明之目的是提供一种直线式太阳能集热器系统，该系统能够减少相对于太阳 高度角的日间变化所发生的收集热量的变化，减少光损耗，并提高热效。
[0023] 根据一个实施例，所述直线式太阳能集热器系统包括沿南北方向平行布置的反射 线路；分别安装在反射线路上的日光反射装置，每个日光反射装置包括用于反射太阳辐射 的多个反光镜段；沿东西方向布置在反射线路上方的光接收线路；安装在光接收线路上、 用于接收从日光反射装置反射的光线并从光线收集热量的接收器；以及角度调节装置，该 角度调节装置用于分别调节各反光镜段，使来自于沿东西方向布置的相邻反射线路的反射 光照射在接收器的同一个光接收区上，从而调节聚光比。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 通过下文的详述并结合附图，本发明的特征、实施方式和优点将变得更加明显，在 附图中：
[0025] 图1示出了一个实施例中的直线式太阳能集热器系统的基本结构；
[0026] 图2示意性地示出了图1所示的反光镜段的结构；
[0027] 图3示出了图1所示的反光镜段沿南北方向和东西方向的转动角度的调节；
[0028] 图4是图1所示的接收器的横截面图；
[0029] 图5A至5C示出了图1所示的光接收线路上的辐照区；
[0030] 图6示出了图1所示的反光镜段的布置方式的一个例子；
[0031] 图7A至7C示出了图1所示的直线式太阳能集热器系统的结构模式的一个例子；
[0032] 图8是图1所示的直线式太阳能集热器系统的结构模型的另一个例子的俯视图；
[0033] 图9A至9C示出了参考文献1中的结构模型；
[0034] 图IOA至IOC示出了参考文献2中的结构模型；
[0035] 图11示出了使用图7A至IOC所示的直线式太阳能集热器系统的结构模型进行集 热模拟的结果；
[0036] 图12示出了采用图1所示的直线式太阳能集热器系统的太阳能发电机系统的一 个例子；
[0037] 图13A和13B示出了第一实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0038] 图14A和14B示出了第二实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0039] 图15A和15B示出了第三实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0040] 图16是第四实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；
[0041] 图17A至17C示出了第五实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0042] 图18示出了图17所示的接收器的基本部份；
[0043] 图19是第六实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的前视图；
[0044] 图20A和20B示出了第七实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0045] 图21A和21B示出了第八实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0046] 图22A和22B示出了第九实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型；
[0047] 图23A和23B示出了参考文献1中披露的现有技术的直线式菲涅尔反射器的一个 例子；
[0048] 图24示出了余弦损耗和阻挡效应的影响；以及
[0049] 图25示出了参考文献2中披露的现有技术的直线式菲涅尔反射器的另一个例子。
【具体实施方式】
[0050] 下面将参照【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。在附图中，尽可能采用相同的标号来指 代相同或相似的部件。
[0051] 首先说明一个实施例中的直线式太阳能集热器系统的基本结构。图1示出了日光 反射装置和接收器的布置方式的一个例子。
[0052] 在图中，这个直线式太阳能集热器系统是直线式菲涅尔反射器，包括一组反射线 路Ll至L8和一条光接收线路G。反射线路Ll至L8在地面上的热接收区Z中沿南北方向 平行布置，在反射线路Ll至L8上安装有日光反射装置1。虽然此示例性集热器系统包括8 条反射线路，但是反射线路的数目不限于8条，可以设置为任意数目。
[0053] 太阳辐射入射到反射线路Ll至L8上的元件上，并从这些元件反射。然后，反射线 路Ll至L8上的日光反射装置1的反光镜被调节至某个角度，以便把太阳辐射反射至光接 收线路G。
[0054] 光接收线路G处于多列反射线路Ll至L8的中心上方的某个位置，并沿东西方向 延伸，或者沿垂直于反射线路Ll至L8的方向延伸。在光接收线路G上安装有接收器2,该接 收器2配置为从日光反射装置1接收太阳辐射的反射光，并从中收集能量。当使用1米X 2 米大小的日光反射装置时，接收器布置在约20米的高度。
[0055] 反射线路Ll至L8需要在地面上精确地朝向南北方向。但是，允许把布置位置从 南北朝向轻微变动，只要光接收线路G上的接收器2能够有效地接收入射在日光反射装置 1上的太阳辐射的反射光。同样，允许把光接收线路的位置从东西朝向轻微变动，只要光接 收线路G上的接收器2能够有效地接收太阳辐射的反射光。
[0056] 图2示意性地示出了图1所示的布置在光接收线路上的反光镜段的结构。在此， 以反射线路Ll上的日光反射装置1的结构为例来说明。
[0057] 在图2中，作为日光反射装置1的反光镜段la、lb、lc、......在地面上的某个区 域中沿行的方向（或南北方向）布置在反射线路Ll上。同样，反射线路L2、L3.......上 的反光镜段也沿行的方向布置。因此，反光镜段la、lb、lc、......沿行的方向布置在热量 接收区Z中。
[0058] 图3示出了如何沿南北方向和东西方向调节每段反光镜的转动角度的方法。
[0059] 在图3中，每列中的反光镜段la、lb、lc、......共同安装在沿南北方向或行的方 向延伸的主转轴X上。主转轴X沿东西方向的转动由列驱动器3控制，以调节反光镜段la、 lb、Ic的转动角度。
[0060] 同时，每行中的反光镜段la、lb、lc.......分别沿垂直于光接收线路G的朝向 (东西朝向）安装在轴Y1、Y2、Y3.......上。它们沿南北方向的转动分别由布置在轴Y1、 Y2、Y3、......上的行驱动器4a、4b、4c、.....控制，以调节反光镜段la、lb、lc、......的 转动角度。
[0061] 反射线路L2、L3.......上的其它日光反射装置1的转动角度也通过上述方式调 节。
[0062] 例如，反光镜段la、lb、lc、......分别设置为南北向长度为I. 〇米和横向长度 (或东西向长度）为2. 0米的标准模块。图1示出了在每条反射线路的两侧顺次布置有两 组图2所示的五段反光镜Ia至Ie的一个例子。每组中的反光镜段的数目以及每条反射线 路上的组数不限于这些数字。
[0063] 而且，从光接收线路算起，每条反射线路的北侧长度和南侧长度不一定相同。在北 半球，太阳轨迹从光接收线路的南侧上方越过，因而，若这种集热器系统安装在北半球，则 反射线路的北侧长度应比南侧长度长，以便使北侧的反光镜面积更大，从而提高集热效率。 反之，若这种集热器系统安装在南半球，则反射线路的南侧长度应比北侧长度长，以提高集 热效率。
[0064] 在安装反射线路的专用区域中，沿行的方向的南北向长度可以比沿列的方向的东 西向长度长。如上所述，接收器沿东西方向布置，反光镜段被调节至某个角度，以照射光接 收线路。因此，若沿行的方向加长反射线路，则与现有技术的直线式菲涅尔反射器相比，能 够减少光损耗。因此，采用可沿南北方向扩展的反光镜段，集热器系统能够获得大量热能， 并且光损耗较少。而且，接收器的东西向长度可比现有技术的直线式菲涅尔反射器的短，从 而能够减少因被吸收热量的反向辐射而造成的热损失。
[0065] 图4是图1所示的接收器的横截面图。接收器2包括六根平行的不锈钢集热管6， 集热管中充有集热介质（例如空气或蒸汽），布置在各列日光反射装置或反射线路Ll至L8 上方，并横跨各列日光反射装置或反射线路Ll至L8,其一端连接至图1所示的热源5。集 热管6配置为接收从日光反射装置1反射的光线，从被反射光加热的集热介质收集热量，并 把热量提供至热源5。
[0066] 而且，集热管6的顶部覆盖有绝热壁7,在集热管6下面布置有具有腔体窗口功能 的吸热网8。绝热壁7具有弧形横截面，围绕平行布置的集热管，并在底部覆盖有吸热网8。 绝热壁7的两端从吸热网8的边缘探出，从而显著减少因绝热壁7内部的上升气流导致的 对流热损失。
[0067] 吸热网8是具有井栏或蜂巢状结构的不锈钢网，允许来自于日光反射装置的反射 光从其中透过并到达内部，但是不允许该反射光的辐射光线逸出。
[0068] 图5A至5C示出了图1所示的光接收线路上的辐照区。辐照区和非辐照区在接收 器2的每根集热管6的整个长度上按一定的间距交替排列。来自于反射线路上的反光镜段 IaUb.......的反射光优选仅照射所述辐照区，从而提高向集热管中的流体传热的传热效 率。
[0069] 图5A示出了在集热管6的整个长度Pl上设置有五个辐照区Fl至F5的一个例子。 在辐照区Fl至F5之间布置有具有一定长度的非辐照区d，并且辐照区Fl至F5在集热管6 的长度Pl上按几乎均等的间距布置。
[0070] 辐照区Fl至F5被来自于反光镜段IaUb.......的反射光照射，从而加热集热管 6中的集热介质。被加热的集热介质从辐照区F5排放至图1所示的热源5。而且，利用绝 热的非辐照区d，能够防止热辐射从这些区域向外逸出，从而能把集热管6中的流体加热到 较高的温度，并排放至热源5。
[0071] 图5B示出了在具有绝热的非辐照区d的长度Pl内相对于集热管的流体温度分 布T1。另一条流体温度分布曲线T2是在没有非辐照区的集热管的情况中当反射光共同 照射在图5C所示的特定区域上时的流体温度分布曲线，以做对比。从图中能够明显看出， T1>T2。
[0072] 因此，通过在每个辐照区Fl至F5的两端布置非辐照区d，不仅能实现从辐照区Fl 至F5经由非辐照区向流体直接传热，还能实现从非辐照区d向流体直接传热，从而增加流 体与强烈加热的集热管6接触的周期长度，并增加从集热管向流体传递的热量。相应地，能 够向热源5提供更高温度的流体。应说明的是，对辐照区Fl至F5和非辐照区5的长度没 有限制，可以根据需要在集热管6的总长度Pl上均等地或不均等地布置辐照区。
[0073] 在图1中，反射线路Ll至L8上的反光镜段la、lb、......的转动角度沿东西方向 按列控制，并且沿南北方向分别独立控制，以便直接接收太阳辐射，并把其向上投射到接收 器2上。
[0074] 每行和每列中的反光镜段la、lb、......的反射光经由吸热网8穿过绝热壁7周 围的空间，并加热集热管6中的集热介质。集热介质被透过集热管的反射光反复加热至很 高温度。被加热的集热介质被输送至热源5,用于产生高温蒸汽，以进行汽轮机发电，或者通 过吸热化学反应被处理为化学燃料。
[0075] 举例来说，在上述的直线式太阳能集热器系统中，反射线路上的反光镜段的间距 是恒定的，不论至接收器2的距离有多大。
[0076] 随着从接收器2至反光镜段的距离增大，相邻反光镜段之间的光损耗会因阻挡效 应而增大。为了防止这个问题，优选沿列的方向把反光镜段之间的间距设为不同的值，使得 反光镜段距光接收线路越远，其间距就越宽。
[0077] 随着距光接收线路的距离增大，反光镜段受阻挡效应的影响会加重。优选通过改 变间距来确保光接收线路G的南侧和北侧的反光镜段之间的空间。或者，从最靠近光接收 线路G的位置开始，把反光镜段划分为多个区，每个区中的反光镜段的数目可变。
[0078] 如上所述，图1所示的直线式太阳能集热器系统包括布置在东西向光接收线路G 上的接收器2,可调节反射线路上的反光镜段IaUb.......的角度，从而使被反光镜段反 射的太阳辐射照射光接收线路G。因此，反光镜段的南北向角度调节量可减小为每天几度或 每年十几度，该角度大约是23. 4度地轴倾角的一半。光损耗量以及反光镜角度的变化量可 以减小到很小的值。
[0079] 而且，对于反光镜段IaUb.......的东西向角度调节，只需沿光接收线路收集 太阳辐射，从而当太阳处于中天时反光镜相对于入射太阳辐射的角度小于现有技术中的角 度。因此，能够减少余弦损耗和相对于日间太阳高度角的变化的光损耗变化。相应地，所收 集能量的日间变化可以减小为很小的值。
[0080] 下面详细说明一个实施例中的直线式太阳能集热器系统的具体基本结构。图6示 出了反光镜段布置方式的一个例子，其中，反射线路的长度设置为210米，光接收线路G位 于安装有接收器2的反射线路中心上方20米处。而且，从最靠近光接收线路G的位置开始， 光接收线路G两侧的一半反射线路（105米）划分为三个35米的区域：D1、D2和D3。Dl区 中的反光镜段的数目为34个，D2区中为30个，D3区中为26个。接收器的宽度为0. 5米。 在接收太阳辐射时，在0. 8千瓦/平方米日照强度下，接收器处收集的热量为400千瓦/平 方米。
[0081] 共布置有70条反射线路，而在接收器内布置20根管。向管的一端注入温度为室 温、压力为10个大气压的风煤气。当以2. 5平方米/秒的流速流过70条反射线路时，在接 收器的出口处，气温被加热至700摄氏度左右。在接收器的输入端收集的能量为400千瓦 /平方米，比现有技术中的直线式太阳能集热器系统收集的能量多五至十倍。70条反射线 路收集的总功率为25兆瓦。
[0082] 下面将参照图7A至IOC说明图1所示的直线式太阳能集热器系统和现有技术中 的系统的结构模型的模拟结果。
[0083] 图7A至7C是图1所示的直线式太阳能集热器系统的结构模型的俯视图、前视图 (从东方观察）和南侧视图。图8是另一个例子的俯视图。图9A至9C是参考文献1中的 结构模型的俯视图、前视图和侧视图，而图IOA至IOC是参考文献2中的结构模型的示意 图。
[0084] 在图7A至7C所示的结构模型（第一个例子）中，8条反射线路Ll至L8按南北朝 向布置，光接收线路G按东西朝向布置在它们的上方，在空间上横跨反射线路Ll至L8。光 接收线路G的南侧和北侧的反光镜段的数目相同，都是四个。每条反射线路的反光镜被调 节为某个角度，以便正确反射垂直入射到光接收线路G上的光线。
[0085] 图8的结构模型（第二个例子）具有与图7所示的结构模型几乎完全相同的结 构。与图7所示的结构模型的不同之处在于，反光镜段相对于光接收线路G以不对称的方 式布置，南侧的反光镜段的数目是1个，而北侧的是7个，布置有反射线路的区域沿行的方 向（南北向）的长度比沿列的方向（东西向）的长度长。如图7所示，每条反射线路的反 光镜被调节为某个角度，以便无误地反射垂直入射到光接收线路G上的光线。
[0086] 在图9A至9C所示的参考文献1的结构模型中，8条反射线路Ll至L8按南北朝向 布置，接收器R按南北朝向布置在反射线路的上方。
[0087] 在图IOA至IOC所示的参考文献2的结构模型中，8条反射线路Ll至L8按东西朝 向布置，接收器R按东西朝向布置在反射线路的上方。
[0088] 图11示出了图7A至图IOC所示的每个结构模型的接收器的照射能量日间变化的 模拟结果。模拟的日期、地点和设定条件如下。
[0089] 日期：2011年3月21日，春分
[0090] 地点：西班牙阿尔梅里亚（纬度：北纬36. 84° ,经度：西经2. 47° )
[0091] 反光镜段的总面积：64平方米
[0092] 接收器长度：11米
[0093] 接收器高度：从地面算起5米
[0094] 如图所示，参考文献1的结构模型在早晨和傍晚时仅在一段很短的时间内产生较 大的辐照能量，而第一和第二例子中的结构模型能在全时段中产生较大的辐照能量。如图 8所示，通过根据纬度以不对称方式布置反光镜段la、lb.......(例如，当在北半球或第 二例子所示的北纬地点安装时，在北侧布置较多的反光镜），可以减少每个反光镜的余弦损 耗，从而增加辐照能量。
[0095]现在，说明采用图1所示的直线式太阳能集热器系统作为中继器的太阳能发电机 系统的一个例子。它可以把预热流体加热至更高温度。
[0096] 图12示出了在塔式太阳能集热器系统11中作为中继器的四个直线式太阳能集热 器系统IOa至IOd的一个例子。通过这种组合方式，四个集热器系统IOa至IOd可分别对 300摄氏度至600摄氏度的预热流体进行加热，塔式太阳能集热器系统11利用收集的热量 进一步把流体加热至800摄氏度。
[0097] 同时，举例来说，为了单纯地使用塔式太阳能集热器系统11收集热量并提高流体 的温度来实现1〇〇兆瓦发电站，塔台的高度必须超过1〇〇米，太阳能集热器场必须覆盖数公 里。这需要巨大的建造成本，因此不可能以很低的成本供电。
[0098] 鉴于此问题，利用图1所示的直线式太阳能集热器系统作为辅助加热器，可以把 流体预热到低于预定温度的某个温度，例如600摄氏度，然后，使用比直线式太阳能集热器 系统更适合于汇聚高热能的另一种集热器系统（例如塔式系统）作为主加热器，把流体加 热到预定温度，例如800摄氏度左右。
[0099] 因此，通过利用图1所示的直线式太阳能集热器系统作为中继器来以两阶段方式 提高温度，能够实现占地面积更小、建造成本更低、集热损失（例如反向辐射）更少的太阳 能发电机系统。
[0100] 下面说明所述直线式太阳能集热器系统的第一至第四实施例。这些实施例之目的 是通过提高光接收线路的聚光比来实现一种热效更高的改进型直线式太阳能集热器系统。
[0101] 首先说明聚光比。已知的是，利用加热集热介质发电的太阳能发电机系统的集热 效率nth可由以下公式（1)表示：
[0102] Hth = Qout/Qin
[0103] 其中，Qout[瓦]是接收器中的集热介质获得的热量，Qin[瓦]是太阳辐射数量 (参见由新太阳能利用手册编委会和日本太阳能学会于2010年5月1日出版的《New Solar Energy Use Handbook》（《新太阳能利用手册》））。
[0104] 热量Qout从集热介质获得的能量和热损失导出，可由以下公式（2)表示：
[0105] Qout=Ib*Aa*nopt*a-Ar*e* 〇 * (Tr4-Ta4)
[0106] 其中，Ib是太阳辐射量[瓦/平方米]，Aa是反光镜的孔径面积[平方米]，nopt 是集热效率，a是接收器的吸热速率，Ar是接收器的集热面积，e是接收器表面的热辐射 率，。是斯特凡_玻耳兹曼常数[瓦/平方米? K4]，Tr是接收器的温度[K]，Ta是环境温 度[K]。
[0107] 而且，太阳辐射量Qin由以下公式（3)表示：
[0108] Qin = Ib*Aa
[0109]把公式（2)、（3)代入公式（1)，可得以下公式（4):
[0110] n th = n opt* a - e * 0 * (Tr4-Ta4) / (Ib*X)
[0111] 其中，X( = Aa/Ar)是聚光比。
[0112] 根据公式（4)，接收器的最高温度Tr，max可由以下公式（5)表示：
[0113] Tr，max4 =X*Ib*nopt*a/ (e* 〇 ) +Ta4
[0114]因此，为了提高集热介质的温度，需要增大聚光比X。在此实施例中，反射线路上的 日光反射装置的反光镜段的角度可独立调节，以调节接收器在东西方向上的光接收位置。 因而可以随意设置接收器在任意东西向位置的聚光比。
[0115] 第一实施例
[0116] 图13A是第一实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；图13B 是该结构模型的侧视图。
[0117] 如图13B所示，两条东西向的相邻反射线路分别向接收器2的一个辐照区或光接 收位置反射光线，从而使辐照区的聚光比X翻倍。这相当于在不改变接收器的集热面积Ar 的前提下使反光镜的孔径面积Aa翻倍。
[0118] 与图7所示的直线式太阳能集热器系统相比，虽然辐照区之间的间距翻倍，但是 利用绝热的非辐照区，能够减少绝热区的热辐射，从而这种集热器系统能够以更高的温度 加热集热介质。
[0119] 第二实施例
[0120] 图14A是第二实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；图14B 是该结构模型的侧视图。
[0121] 此实施例配置为使得辐照区中的聚热比随着距西侧热源的距离减小而增大。艮P， 从东侧算起，由第一和第二条反射线路L8、L7反射的光线汇聚在不同的辐照区上，由第三 和第四条反射线路L6、L5反射的光线汇聚在同一个辐照区上，由第五至第八条反射线路L4 至Ll反射的光线汇聚在同一个辐照区上。
[0122] 因此，通过按照所需热源温度设置接收器2的任意位置的聚光比，第二实施例能 够进一步提高热源的温度。
[0123] 第三实施例
[0124] 图15A是第三实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图；图15B 是该结构模型的侧视图。
[0125] 与第二实施例一样，此实施例配置为使得辐照区中的聚热比随着距西侧热源的距 离减小而增大。与第二实施例的不同之处在于，聚光比不是逐渐提高的，而是阶段式提高 的。
[0126] 在图15B中，从东侧算起，由第一至第二条反射线路L8至L5反射的光线汇聚在不 同的辐照区上，由第五和第六条反射线路L4和L3反射的光线汇聚在同一个辐照区上，由第 七至第八条反射线路L2至Ll反射的光线汇聚在同一个辐照区上。第三实施例能实现与第 二实施例相同的效果。
[0127] 第四实施例
[0128] 图16是第四实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的侧视图。
[0129] 在此实施例中，每段反光镜的反射面是东西向的曲面。这是为了在不减小反光镜 的孔径面积Aa的前提下减小接收器的集中面积，从而提高聚光比X。曲面的截面可以是任 何曲线，例如圆形、椭圆形、环形或抛物线形。特别是，利用集热管作为聚焦线的圆柱抛物面 能够以更多的光线有效地照射集热管，因为与平面相比，它能防止反射光扩展。
[0130] 第五实施例
[0131] 图17A至17C分别是第五实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的俯视 图、前视图和侧视图。图18示出了接收器21的基本结构。
[0132] 所述直线式太阳能集热器系统包括具有复合式抛物面聚光器77的接收器21，而 不是图7A至7C中的接收器2。
[0133] 在图18中，复合式抛物面聚光器77表面的截面或xy坐标由以下公式（6)至（9) 表不：
[0134]对于0 彡 0 彡（Ji/2)+0 !
[0135] (6)X=±a{sin 0+0 cos(0- )}
[0136] (7)y=a{-cos 0 + 0 sin (0-31)}
[0137]对于（ji/2)+0丄彡 0 彡（3ji/2)-0!
[0138] (8) x=±a{sin 0+pcos ( 0-)}
[0139] (9)y = a {-cos0+psin( 0 - )},其中，p= {Q + Qi+f^/^cos^-Qi)}/ {1+sin( 9 - 9j)}
[0140] 其中，a是集热管6的半径，z轴（未示出）沿集热管6的长度方向，y轴的负侧朝 向天底点，集热管6的中心轴坐标是X = 0, y = 0，0i是复合式抛物面聚光器77的最大入 射角。
[0141] 通过如上定义坐标x、y，能够最大限度地减少反射光的扩散，并以更多的光照射集 热管6。上述公式的推导过程在以下文档Dl和D2中披露：
[0142] Dl :High Collection Nonimaging optics (高集光非成像光学），第 263-266 页， 第一版，1989 年 12 月，作者 W. T. Welford，R. Winston,由 Academic Pr (科学出版社）出版 ISBN-IO:0127428852ISBN-13:978-0127428857
[0143] D2: "Dyna"，77 年，第 163 期，第 132-140 页，麦德林，2010 年 10 月， ISSN0012-7353 ^MODELING OF DIRECT SOLAR RADIATION IN AC0P0UND PARABOLIC COLLECTOR (CPC) WITH THE RAY TRACKINGTECHNIQUE (采用光线跟踪技术对复合式抛物面形 集热器（CPC)中的直接太阳辐射建模）"。
[0144] 上述公式在文档D2的第134页上的第3. 1节中说明，其中的t、0 a对于上述公式 中的0、0 P
[0145] 第六实施例
[0146]图19是第六实施例中的直线式太阳能集热器系统的结构模型的前视图。
[0147] 所述直线式太阳能集热器系统包括与第五实施例中的相同的接收器21。与第五实 施例的不同之处在于，反光镜段以不对称方式布置，如图8所示，并且光接收线路G的北侧 的反光镜段的数目多于南侧的数目。
[0148]除了反光镜段不对称布置外，复合式抛物面聚光器77的孔径中心的朝向也不同 于第五实施例中的朝向。即，它从第五实施例中的垂直方向倾斜一个角0 2。角02由以下 公式（10)、（11)定义：
[0149]
【权利要求】
1. 一种直线式太阳能集热器系统，包括： 沿南北方向平行布置的反射线路； 分别安装在反射线路上的日光反射装置，每个日光反射装置由多个反光镜段构成，以 反射太阳辐射； 沿东西方向布置在反射线路上方的光接收线路； 安装在光接收线路上的接收器，用于接收从日光反射装置反射的光线，并从光线收集 热量；和 角度调节装置，用于独立地调节反光镜段的角度，使来自于东西向的相邻反射线路的 反射光照射接收器上的同一个光接收区，从而调节聚光比。
2. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括填充有作为流体的集热介质的集热管；以及 集热管划分为被来自于反光镜段的反射光照射的辐照区和布置在辐照区两端的非辐 照区。
3. 如权利要求2所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 辐照区配置为在被反射光加热时向非辐照区传递热量，并使集热管内的流体中发生传 热。
4. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 角度调节装置配置为调节反光镜段的南北向和东西向转动角度。
5. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 每个反光镜段分别包括反射曲面。
6. 如权利要求4所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 角度调节装置配置为整体地调节东西向转动角度和单独地调节南北向旋转角度。
7. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 每个反光镜段是南北向长度两倍于东西向长度的标准模块；以及 两组反光镜段在反射线路上彼此相对地顺次布置，把光接收线路夹在中间。
8. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 为了减少南北向的相邻反光镜段之间由于阻挡或遮挡效应而发生的光损耗，反光镜段 的南北向间距设置为：反光镜段距光接收线路越远，反光镜段的南北向间距就越宽。
9. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 当所述直线式太阳能集热器系统安装在北半球时，从光接收线路算起，反射线路的北 侧长度设置为比其南侧长度长；以及 当所述直线式太阳能集热器系统安装在南半球时，从光接收线路算起，反射线路的南 侧长度设置为比其北侧长度长。
10. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括填充有作为流体的集热介质的集热管，集热管布置在所有日光反射装置的 上方，并且一端连接至热源；以及 集热管配置为从日光反射装置接收反射光，并从被加热的集热介质收集热量。
11. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括平行布置的集热管，并在集热管上方覆盖有绝热壁，还包括布置在集热管 下、具有腔体窗口功能的吸热网； 绝热壁是具有弧形截面的覆盖层，该覆盖层围绕在集热管周围，并且两端从吸热网的 边缘向下探出；以及 吸热网是具有一定厚度的井栏或蜂巢状结构的不锈钢网，允许来自于日光反射装置的 反射光透过该不锈钢网并到达内部，但是不允许该反射光的辐射从该不锈钢网中逸出。
12. 如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统，其中： 接收器包括用于把反光镜段的反射光反射至集热管的复合式抛物面聚光器。
13. -种太阳能发电机系统，包括： 辅助加热器，该辅助加热器利用如权利要求1所述的直线式太阳能集热器系统把流体 加热至比预定温度低的第一温度；以及 主加热器，该主加热器利用比所述的直线式太阳能集热器系统更适合于汇聚高热能的 另一种太阳能集热器系统来把流体的温度提高至作为所述预定温度的第二温度。
【文档编号】F24J2/07GK104321595SQ201380026411
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2012年3月26日
【发明者】佐藤达哉, 铃木光夫, 增田浩二, 上田健, 长尾和也, 北林淳一, 玉浦裕, 金子宏 申请人:株式会社理光, 国立大学法人东京工业大学
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