用於太陽能吸收板的橫截面可變的薄壁集流器的製作方法

2023-06-13 10:52:31

專利名稱：用於太陽能吸收板的橫截面可變的薄壁集流器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種集流器(header)設計，更具體地說，涉及用來 分布和匯集太陽能吸收板的太陽能吸收管的集流器設計，所述太陽能 吸收管屬於太陽能中央收集器，通常具有熔融的鹽，但是也可以採用 其他高溫轉移流體。
背景技術：
橫截面不變的薄壁柱狀集流器以前已經用在太陽能吸收管的熔融 鹽接收面板中，太陽能吸收管藉助機加工襯套和管嘴連接到所述集流 器，這些襯套和管嘴接下來焊接到所述柱狀集流器。有時直接從所述 柱狀集流器擠壓出所述管嘴。這些實施例可見於美國專利 US6，736，134B2或其PCT申請WO03/021159A2版本中。
這種結構中的一些使得接合集流器主體與太陽能吸收管的接合區 域承受較高的熱應變，特別是在鹽流速較低的集流器側部區域。這種 熱應變是由於流經所述集流器的熔融鹽集群通過太陽能電廠的定日鏡 場而引起的溫度快速變化所導致的。可以通過在將所述太陽能吸收管 接合到所述集流器的接合管嘴中放置套筒或其他熱保護件來減小這種 源於溫度突變的應變。但是，這種熱保護件具有難於生產且難於裝配 的幾何形狀，這樣將提高生產和檢測難度，並且使得這些過程代價高 昂。如果沒有這些保護件，則設備的使用壽命將極其短暫。
另一方面，柱狀集流器要求最小的橫截面通流面積，以便以最小 的壓力損失將鹽流或轉移流體流均勻分布到連接所述集流器的全部太 陽能吸收管中。但是，眾所周知，在整個集流器中，鹽流或轉移流體 流並不均勻，並且這種可變流動分布取決於集流器上所述管或者饋送 管連接部的結構或者分布鹽或轉移流體的太陽能吸收管的結構。
橫截面不變的柱狀集流器基本上在中部進行饋送，隨著流體經過 連接在集流器中部的太陽能吸收管進行分布，轉移流體的流速在其側 部區域大幅降低，這在太陽能吸收管與集流器側部連接的同時，導致
在接合管嘴中產生嚴重預過渡(pre-transient)熱應變。
這種橫截面不變的柱狀集流器結構在那些遠離集流器饋送管的地 方並不優化，集群過渡所產生的熱應變結合所述集流器作為承壓容器 而必須吸收的機械應力，導致主體壁厚比所希望的壁厚要大，由於在 所述集流器接合到所述太陽能吸收管的接合管嘴處引發的熱應變，所 以這也具有破壞性。

發明內容
因此，本發明的主要目的是提供一種集流器結構，其可以用在具 有熔融鹽或者任何其他轉移流體的太陽能接收板中，在所述集流器接 合到所述太陽能吸收管的接合管嘴處能更為有效地抵禦熱應變，而不 需要使用複雜昂貴的熱保護設備。
本發明的另一項目的在於提供一種集流器結構，用於具有熔融鹽 或任何其他轉移流體的太陽能接收板中，允許在該集流器的主體中使 用薄壁，以使用於接合太陽能吸收管的接合管嘴更好地符合這些管的 較薄厚度。
本發明的另一項目的在於提供一種集流器結構，用於具有熔融鹽 或任何其他轉移流體的太陽能吸收板中，允許對連接的全部管使用相 同的集流器-太陽能吸收管接合管嘴構思，包括那些位於鹽或轉移流體 流量高的集流器區域和流量低的區域中的接合管嘴，而且在製造和成 本方面存在附帶的優勢。
前述和其他目的通過薄壁集流器來實現，該集流器通常具有較小 的最大直徑以及可變橫截面。
必須從能夠用來製造集流器和太陽能吸收管的可能材料中進行選 材，這些材料在高於600。C的高溫下具有良好的性質，即機械強度較 高、熱疲勞強度高、抗蠕變強度高、在高溫且承受應變的情況下對硝
酸鹽或所用轉移流體的耐腐蝕性好、熱膨脹係數較低以使熱變形引起 的載荷降低，並且可以焊接，可以塑形而且還比較常用。在這一方面，
鎳基超級合金，諸如Inconel625等，是良好的選擇。
集流器組件包含了擠壓或機加工並後續焊接的接合管嘴，用於通 過太陽能吸收管分布和匯集熔融鹽或所用的轉移流體，它們全部都優 選以鎳基超級合金製造。所述集流器還包含至少一個入口或出口管嘴， 將集流器的主體連接到至少一個饋送管。集流器主體不是橫截面不變 的柱狀，而是具有可變的橫截面，在接合到所述管的接合區段或接合 到所述饋送管的接合區段橫截面最大，而隨著集流器區段遠離所述饋 送管或所述管而橫截面逐漸減小。
集流器的重要功能是在太陽能吸收管內以最小壓力損失均勻分布
鹽流或轉移流體流。為此，具有優勢的是讓集流器饋送管的通流面積 至少等於連接到集流器的太陽能吸收管的通流面積的總和。如果不是
用一個饋送管來供給集流器，而是使用多於一個饋送管，則饋送管通 流面積總和必須至少等於連接到集流器的太陽能吸收管的通流面積總 和。
集流器主體的最大橫截面位於用於接合到饋送管的接合區域內， 至少等於連接到集流器的太陽能吸收管的通流面積總和的1.5倍。集 流器主體的剩餘橫截面隨著集流器從供給集流器的饋送管或管離開而 逐漸減小，遵循特定變化規律，但是優選變化梯度最大，這樣允許通 過可行的製造工藝將所連接的太陽能吸收管的全部接合管嘴收容到集 流器內，並且允許藉助自動軌跡焊將全部這些管接合到它們各自的管 嘴。集流器側部或端部區域是較難滿足這些條件的區域，因為存在通 流面積最小的區域，因此它們限定了不同的梯度。
相對於橫截面不變且尺寸與可變集流器的最大橫截面相同的集流 器而言，橫截面可變的集流器提供的優勢在於
可變集流器允許更大程度地改善接合在其上的太陽能吸收管內的 流動分布，由於橫截面通流面積較小而增大了集流器側部區域內的鹽 流或轉移流體流的流速，因此在集流器-管接合管嘴內降低了相對於過
渡狀態而產生的熱應變，並且由於上述橫截面通流面積減小所以降低 了這些區域的機械壓應力，這樣明顯降低了相對於相同壓力載荷所產 生的應變。
從這些優勢可以派生出相關的優勢，集流器整體橫截面通流面積 減小的程度越大，這些優勢理論上越大，這些優勢包括限定更薄的壁 厚的可能性以及針對本發明的集流器主體進行優化，使得在使用該集 流器的太陽能電廠的定日鏡場中發生集群過渡過程的時候，該集流器 主體能承受鹽流速或轉移流體流速較低的集流器區域內所遭受的嚴重 熱應變。
得益於其優勢的影響，本發明的另一項優勢在於，對於全部與集 流器連接的管來說，能夠對將集流器接合到太陽能吸收管的接合管嘴 限定為相同的構思，明顯帶來製造和成本方面的優勢，而且對於鹽或 轉移流體流速較低的集流器區域內的管嘴，不需要使用其他複雜的設
計或者複雜昂貴的熱保護設備。
其他額外優勢是因直徑較小而減小了閉合集流器的蓋板的厚度， 本發明允許這種厚度減小。
通過實施例，並考慮到該實施例中僅由中部管來供給集流器，所 以在本發明的物理實施例中，可變橫截面使得集流器呈紡錘形。在本 發明的另一個物理實施例中，橫截面變化梯度恆定，使得集流器包括 兩個藉助較大基部接合起來的截頭圓錐區段。
在本發明另一種物理實施例中，連接饋送管的集流器的主體的中 部區域保持柱狀以便於製造，而在該連接部的出口處立即變成可變橫 截面。
在任何情況下，集流器整體橫截面儘可能減小，但是受到可行的 製造工藝的制約，該可行的製造工藝允許將其連接的太陽能吸收管的 全部接合管嘴收容到集流器中並且通過焊接接合在其上。
作為尺寸參考，考慮了太陽能吸收管厚度較薄而且這些管彼此並 排布置在太陽光線入射平面上形成接收板，集流器長度大約等於所連 接的太陽能吸收管的總數乘以這些管的平均直徑。
根據前述限定的最大橫截面，集流器最大直徑的最小值為太陽能
吸收管平均直徑乘以太陽能吸收管數1.5倍的平方根，並且集流器最 小直徑與其最大直徑之間的比率(該比率儘可能最大)隨著集流器長 度變大而增大，或者換句話說，隨著集流器連接的太陽能吸收管數增 多，根據直徑比率，較大的橫截面增多。
這樣，本發明的集流器更為有利，因為集流器必須較大，以連接 更多的太陽能吸收管，並且較之以前研製的集流器，本發明為集流器 主體提供了更薄更優化的厚度，這樣在熱力學上更好地符合所連接的 太陽能吸收管的較薄厚度，使得溫度梯度較小，因此在集群流通過程 中在鹽或轉移流體中引發嚴重溫度過渡過程的時候，在集流器-管接合 管嘴內產生的熱應變較小。這樣，較之以前研製的集流器-管組件而言， 顯著延長了本發明集流器-管組件的壽命。
本發明不再需要在鹽或轉移流體流速較低的集流器區域內的管嘴 中使用昂貴複雜的熱保護件，而且相對於流速較高、工作條件較好的 區域內的管嘴來說，不再需要為流速較低的區域內的管嘴限定不同的 管嘴設計。


全部已經論述的特徵以及其他作為本發明特性的特徵，如果它們 包含在權利要求書中，則將從以下參照附圖的說明中得到更好的理解， 附圖中示出了作為非限制性示例給出的可能實施例。
附圖中
圖1示出了屬於中央接收器的太陽能吸收管的局部橫截面側視 圖，帶有根據本發明形成的集流器；
圖2示出了紡錘形、橫截面可變的集流器的正視圖3示出了圖2所示的平面圖4示出了圖2所示集流器的剖面圖5示出了由錐形截錐體形成的橫截面可變的集流器的正視圖； 圖6示出了帶有兩個入口的橫截面可變的集流器的正視圖，其中
橫截面最大並與饋送管連接的中部區域為柱狀區段，所迷柱狀中部區 域也可以適用於紡錘形集流器。
具體實施例方式
圖1示出了本發明優選物理實施例的集流器IO組件的側視圖，該 組件布置在太陽能吸收板12內側。太陽能吸收板12由一系列彼此平 行並藉助接合管嘴16接合的太陽能吸收管14形成，所述接合管嘴16 用於接合集流器10的主體18。
集流器10組件由橫截面可變的主體18和閉合側蓋19形成，它們 在圖2至6中示出。管14優選對焊在接合管嘴16上。
熔融鹽或者所用的轉移流體通過接合到該集流器10的入口管嘴 和出口管嘴21進出太陽能吸收板。熔融鹽或轉移流體吸收定日鏡 (heliostat)場(未示出)反射到管14上的太陽能輻射22的熱能。
所述集流器組件用來將加熱的鹽或流體分布到太陽能吸收管14, 或從其匯集鹽或流體。除了來自定日鏡場的太陽能輻射22所入射的面 板表面之外，所述板組件利用熱保護件23隔離，以改善該組件的熱效 率。
圖2、 3和4分別以正視圖、平面圖和剖面圖分別圖示出了根據本 發明優選物理實施例，形狀為紡錘形的橫截面可變的集流器10。所述 管嘴，包括入口管嘴和出口管嘴21以及用於接合到太陽能吸收管的接 合管嘴16，優選在橫截面可變的集流器10的主體18上直接擠壓出來。 在使用焊接管嘴的情況下，後者進行塑形和加工之後，將它們插入集 流器主體18製作的現有孔中，然後進行焊接。
太陽能吸收管14優選對焊到各接合管嘴16。集流器組件的可靠 性很大程度上取決於這些元件的焊接件，因此，自動化的過程越多， 則集流器10越可靠。
儘可能減小集流器IO整體的橫截面，受到可行的製造工藝制約， 該生產條件允許在集流器10的主體18側部或端部區域內通過優化分 布來收容其所連接的太陽能吸收管14的全部接合管嘴16，並且還受
到通過焊接將集流器10組件接合到太陽能吸收管14的加工過程的制 約。
圖5示出了根據本發明另一種物理實施例，橫截面可變的集流器 IO的視圖。在該實施例中，橫截面變化梯度恆定，以使集流器10包 括共用較大基部的兩個截頭圓錐區段。
圖6示出了根據部本發明另一物理實施例，橫截面可變的集流器 IO的視圖。其中，連接饋送管的集流器10的主體18的中部區域維持 柱狀，以便於生產，而在連接部的出口處立即變成可變結構。
雖然參照示於圖中的實施例論述並解釋了本發明，但是本領域技 術人員應該理解，可以對所述實施例的形狀和細節進行若千改動，而 且不會改變要求保護的本發明的精神和範圍。
權利要求
1. 一種用於太陽能吸收板的橫截面可變的薄壁集流器，以鎳基超級合金製造，用於分布和匯集熔融硝酸鹽或任何其他高溫流體，由以下形成:主體(18)；多個遍布所述主體(18)分布的接合管嘴(16)，這些接合管嘴將所述主體連接到太陽能吸收管(14)；和將所述主體(18)連接到至少一饋送管的至少一入口或出口管嘴(21)，其特徵在於，所述主體(18)具有可變的橫截面，從橫截面最大的中部區域持續減小，直到到達所述主體(18)的端部區段，所述至少一個入口或出口管嘴(21)的軸線位於所述中部區域內。
2. 如權利要求1所述的集流器，其特徵在於，所述集流器(IO) 的主體(18)採用紡錘形。
3. 如權利要求1所述的集流器，其特徵在於，所述集流器(IO) 的主體(18)釆用兩個截頭圓錐元件以其較大基部相對的形式。
4. 如權利要求1至3任一項所述的集流器，其特徵在於，所述集 流器(10)的主體(18)的橫截面最大的中部區域由柱狀區段構成。
5. 如權利要求l至3任一項所述的集流器，其特徵在於，所述集 流器(10)的主體(18)的橫截面最大的中部區域由垂直於所述主體 軸線的平面限定。
6. 如權利要求1至5任一項所述的集流器，其特徵在於， 用於供給所述集流器(10)的所述饋送管的通流面積總和至少等於與所述集流器(10)連接的全部太陽能吸收管(14)的通流面積；所述集流器(10)的主體(18)的最大通流面積至少等於連接它 的全部太陽能吸收管(14)的通流面積的1,5倍。
全文摘要
本發明涉及用於一種用於太陽能吸收板的橫截面可變的薄壁集流器，以鎳基超級合金製造，並由薄壁主體(18)和多個管嘴(16、21)形成。集流器(10)連接到一系列接合管嘴(16)，其中各太陽能吸收管(14)連接到這些接合管嘴；以及至少一個入口或出口管嘴(21)，至少一個饋送管連接到該入口或出口管嘴。主體(18)可以為紡錘形，或者可以由兩個以較大基部接合在一起的截頭圓錐區段形成，並且可以進一步在所述入口或出口管嘴(21)的高度處具有中部柱狀區段。該集流器尤其適用於在太陽能板中匯集高溫流體。
文檔編號F24J2/24GK101379350SQ200780004233
公開日2009年3月4日 申請日期2007年1月31日 優先權日2006年2月1日
發明者J·M·拉塔·佩雷斯 申請人:Sener工程系統私人控股公司