對太陽輻射的收集及將其變換為電能的製作方法

2023-04-27 14:35:01

專利名稱：對太陽輻射的收集及將其變換為電能的製作方法
技術領域：
本發明是關於收集和會聚太陽輻射以產生電能的設備。具體說，本發明特別涉及到太陽能反射器的安裝。另外還描述了太陽輻射接收器和拋物面反射器的結構特點。
通過由適當的反射器例如拋物槽式系統、平面鏡陣列系統和拋物面反射器系統對太陽能集聚而產生的熱能進行變換來產生電能的系統是公知的。
在一拋物面反射器(parabolic reflector dish)系統中，一個或多個各自具有一反射表面的拋物面反射器被在方位和高度上加以驅動，以便能跟蹤太陽的晝夜和季節運動來收集並會聚太陽輻射到達相應的接收器。在接收器處，由太陽輻射集聚所產生的熱能通常被從接收器導引到熱機、發電機等來產生電能。
為了使一拋物面反射器系統具有最大的效率，拋物面反射器的面積必須儘可能的大。這一點可由大量的小型反射器、或者僅由一個或少量的非常大的反射器來實現。
在由許多反射器構成的系統中，為使每一反射器能精確跟蹤太陽的運動而須設置等量的驅動系統，成本極高。因而經常採用大型拋物面反射器。
未經聚焦的太陽輻射在地平面具有最大太陽能通量1000w/m2。在緯度30°與35°之間，每天未聚焦太陽輻射的平均功率約為700w/m2。因此在一典型系統效率為約30％時，為產生1MW的電能將需要約4～5000m2即約直徑75m的拋物面反射器。
為了安裝和移動這樣的反射器來跟蹤太陽需要很大的反射器支撐結構。而且，大的反射器對風將產生一相當大的截斷面，因而為保持對太陽的精確的對準，此反射器支撐結構必須被作成有足夠的強度來承受風力。在很大的風中，反射器和支撐結構均易於受到損壞，因而兩者均必須被加強來抵禦偶然的強風的作用。增強反射器和支撐結構使得反射器質量增加，而導致它們的成本及用於移動反射器以跟蹤太陽的系統的成本增加。
通常拋物面反射器還要作常平架式安裝，亦即使得能圍繞一位於反射器中心的平面中的軸旋轉。這樣的安裝使得反射器能利用簡單的驅動裝置在方位和高度上運動，而反射器的質量能得到平衡。然而，反射器的常平架式安裝意味著此反射器必須被支撐來圍繞一處於地面之上等於反射器的半徑的高度的軸旋轉。在大風的情況下，這樣的反射器不能移出風路，因此反射器支撐結構必須增強而使其質量和成本增加。
由於這些因素，當前的拋物面太陽輻射反射器的大小被限制在10m與15m之間的直徑。因而為產生大量的功率就需要數個這樣的反射器(生成與一單個的75m直徑的反射器同樣的功率需要25個直徑15m的反射器)，如上所述這是極其昂貴的。
按照本發明，收集和會聚太陽輻射的設備包括反射器；用於使反射器圍繞基本上垂直的第一軸旋轉的裝置；用於使反射器圍繞第二軸作樞軸旋轉的裝置，此第二軸位於與垂直軸平行但不重合的平面內，此樞軸旋轉裝置能將反射器有效地作樞軸轉動使之處於反射器的周邊位於基本上水平的平面內的第一位置與反射器的周邊位於基本上垂直的平面內的第二位置之間的任何位置上；和圍繞垂直軸伸展的至少部分地包圍位於第一位置中的反射器的周邊的擋風屏，此擋風屏的高度被作成使其上邊緣與第一位置中的反射器的周圍邊緣處於相同水平或者高出後者。
因此採用這樣的配置(其中，第二軸最好基本上保持水平)，反射器和其所用的支撐結構僅需足以承受中等風的強度，而使得包含用於移動反射器跟隨太陽運動的裝置在內的設備的成本能保持最小。在大風的情況下，可將反射器降低到水平的第一位置，使之低於擋風屏的上水平面，從而保護反射器不受風的損壞。擋風屏充分地向下伸展以阻止風從下面抵達反射器，而整個設備在當反射器處於水平位置中時從任一方向均對風呈現一很低的輪廓，從而使得即使在相當頻繁地發生強風的場所也能應用大直徑的反射器。
本技術領域的熟知人員將會理解，可能存在許多類型的反射器支撐結構能被用於提供根據本發明的「非常平架」式反射器安裝。但為使反射器支撐結構在機構上的複雜性最低，第二軸最好相對於第一垂直軸是固定的。
相應地，此反射器被安裝成能相對一託架作樞軸支承，該託架可圍繞第一垂直軸旋轉。擋風屏可被安裝成隨此託架旋轉。這在第二軸位於擋風屏的周邊之內時是有利的，很容易理解，為了使擋風屏不致屏蔽或防礙在第二升高的位置中反射器的較低部分，可將當反射器處於第二位置中時擋風屏的對應於被第二軸對著的部分的一部分割除。這樣的配置減輕了擋風屏的質量，並且因為它被安裝成隨託架旋轉，當反射器因強風而被降低時整個設備可被旋轉來將擋風屏的被切割部分置於設備的背風側，以防止風由下面到達反射器。
為使設備對強風呈現最低的可能輪廓，當反射器處於第一水平位置中時擋風屏的下邊緣最好靠近地面而此第二軸在擋風屏的下邊緣之上的高度最好等於或大於第二軸與反射器周邊之間的最大水平距離。這就是說，在第二垂直位置中反射器的最低邊緣靠近但不能接觸地面。
此設備設置有用於旋轉和樞軸轉動反射器以便如現有技術中那樣跟蹤太陽運動的裝置。此外還可設置有檢測風速和風向以及在所測得的風速超過一預定速度、亦即可能損壞反射器的風速時將反射器降低到第一位置的裝置。用來旋轉反射器的裝置如上所述可適用於將反射器旋轉使得擋風屏的任一被切割部分均位於設備的背風處，第二軸與所測得的風向垂直。眾所周知，風速有可能在一段很短的時間內增加，因而將反射器降低到第一位置的裝置可適用於迅速降低反射器。旋轉反射器的裝置也可適用於迅速轉動設備以便將擋風屏的被切割部分置於背風處。或者，由於為跟蹤太陽而作的反射器的旋轉相當地慢，僅需要較低功率的旋轉驅動器，可以設置擋風屏的一可拆卸部分，用來遮蓋擋風屏的被切割部分或者該部分所經過的弧段，這較之設置一高速旋轉驅動器要較便宜。
普通設備的再一個問題是從太陽輻射到電能的有效變換。這一問題對太陽輻射通過很大面積採集而被反射到和會聚在一很小面積中的情況尤為重要。大量的太陽能在一很小面積中的集聚將產生熱能的高度密集，而存在一接收設備能允許的不致損壞的最大太陽能功率密度的實際極限。
最好此反射器為一點聚焦拋物面反射器，並在位於鄰近反射器的焦點設置用於吸收由反射器收集和集聚到其上面的太陽輻射並產生電能的接收器。
適當地，此接收器具有一小孔，太陽輻射通過此孔進入一可以是所謂的「黑體吸收器」的、並伸出在孔的後面的空腔。構成此空腔的壁層最好採用適於吸收大部分入射在其面上的太陽輻射(而反射此太陽輻射最小)並將熱量傳導給圍繞此空腔壁的一高壓槽中所含的工質的材料，設置有使被加熱的工質循環流通到一熱機或發電機的裝置，以便將此熱工質所傳載的熱能變換成電能，此循環裝置再將冷卻的工質回送到高壓槽。
此空腔壁的內部最好被作成在其上能均勻地分布由拋物面反射器在其上集聚太陽輻射所得到的入射到上面的太陽能的密度的形狀。
接收器可被安裝在一或多個從接收器沿被反射線途徑向外伸展的支腿上。
最好設置屏蔽裝置來保護鄰近該小孔的區域內的接收器和每一支腿的外部免得其上遭受被集聚的太陽輻射的入射，以減少損壞的可能性。經集聚的太陽輻射所含的熱能可能強到足以熔化大多數金屬。
適當地，空腔壁由鉬或其合金構成。這些金屬具有溫度高達1100℃時的優良的強度和熱導性，而且它們不是強反射性的。因而，空腔壁可以相當薄，這有利於熱能到工質的傳導。此空腔壁最好塗覆高溫無澤塗層以使反射性最小。
工質可以是水，或者可以是鈉。鈉是一種優選的工質因為它具有低蒸發壓力(一般在900℃時約1.2大氣壓)，但它在約91℃時固化。因而在循環裝置和在發電機中設置有加熱和液化鈉的裝置，以使得在當反射器最初被校準對著太陽時工質能通過系統流動。接收器中的鈉自然是由射入到接收器的太陽輻射液化的。
適當地，發電機為核動力反應堆中所採用型式的蒸汽發電機，其中，熱能由鈉工質傳送給水，結果所得的高壓蒸汽被用來驅動透平機產生電能。一臺發電機可與一單個的反射器及其接收器相連，或者，如本技術中所公知的，可將來自數個反射器的被加熱的工質導向一單臺的大發電機。
當鉬在高溫下暴露在空氣中時具有氧化的趨向。因而空腔中含有惰性氣體或為真空。為此目的，在接收器的小孔上方設置一窗口。這樣的配置也使得因對流和傳導引起的熱能逸出空腔的損失最小。構成此窗口的材料必須是不漏氣體或空氣的，並且必須傳遞波長在290nm與4000nm之間的輻射。玻璃，舉例說，就不是合適的材料，因為它對佔太陽輻射能量中重大比例的紅外輻射相對地是不透明的。氯化鈉是一種適當的窗口材料，如所有紅外發射器中所共同應用的。另外也可採用石英，雖然這較貴和難以加工。
最好此窗口作成拋物面形狀，以便能使反射器所會聚的太陽輻射儘可能近似垂直地射向此窗口。這樣的配置使得被窗口反射出接收器的太陽輻射降到最少。
最好空腔的內部是對於反射器的對稱軸對稱的，並成形為能使入射到其上的太陽輻射的密度作均勻分布。這可以通過在成形空腔壁時考慮二個因素來達到，即增加太陽輻射在空腔壁上的入射角將在空腔壁的較大面積上散布該輻射由此而降低密度，和增加空腔壁中太陽輻射密度高的那些部分的內部半徑也將降低此密度。
因此可將空腔壁構成為，從小孔向空腔的遠端沿反射器的對稱軸前進，空腔壁按所述順序至少具有如下的被成形部分基本上平行於對稱軸的第一部分；從對稱軸發散的第二部分；圍繞壁彎曲以便會聚到對稱軸處的空腔的最大內部半徑點的第三部分；和逐漸會聚以與對稱軸相交並逐漸增加入射到其上的太陽輻射的入射角到約90°的第四部分。
此空腔壁的第一部分補償造成被集聚的太陽輻射被反射離開接收器而不是正確地進入小孔的反射器或某些部分的任何未對準。第二部分的作用是通過增大其入射角在更大面積上散布入射的太陽輻射。這一部分中接收器的內部半徑也增大，也在更大面積上擴散太陽輻射。此第二部分很重要，因為拋物面反射器的外邊緣接收入射在反射器上的太陽輻射的大部分並將這些輻射集聚在空腔壁的第二部分上，而為了能構成均質材料的空腔壁和避免空腔壁中被會聚能量的「熱斑」，就必須通過降低這一部分中的密度來保證太陽輻射的能量密度的均勻性。
在第三部分中，空腔壁的內部半徑最大。但這一部分從反射器約在其半徑一半處的環狀空間接收所會聚的太陽輻射的大部分。反射器的這一區域接收和會聚的太陽輻射小於反射器的最外部分。為了沿空腔壁的這一部分得到均勻的太陽輻射密度，因而必須提高密度，這通過增大入射到其上的太陽輻射的入射角來實現。
集聚到空腔壁的第四部分的太陽輻射的大部分由反射器的最內部區域提供。反射器的這一部分收集和會聚的太陽輻射成比例地少於反射器的外面部分，因而鑑於此而增大在此第四部分上太陽輻射入射角，和減小空腔的內部半徑，由此增加入射太陽輻射的密度以便使密度更均勻。
空腔的這種形狀不僅使得空腔壁上太陽輻射密度均勻還削減由接收器產生的對流和黑體輻射損失。內部空腔的構形是使得將任何被反射的太陽輻射保留在空腔之內而不致通過窗口將輻射反射出空腔。
此反射器最好為拋物面的，此拋物面的嚴格的形狀要這樣確定，即要表現為一為了在給定的反射器直徑下能收集和會聚最大的太陽輻射而給出大的表面面積的形狀，與一給出最小「深度」、亦即當反射器處於第一水平位置時的高度的反射器，以使該反器在第一位置時設備對強風呈現最小的表面面積的形狀之間的折衷。
為得到成本低的、輕便但有足夠強度的和易於準確構成的反射器，反射器最好由安裝到並由一框架支承的多個反射平面區段、或薄片構成。此框架多個支撐部件組成，各支撐部件從反射器外周邊緣向其中心徑向向內延伸並具有形成為一拋物面的扇面或呈一系列與其接近的線性步級狀的平面區段支撐表面，相鄰的支撐部件被加以連接。
平面區段的最大尺寸受接收器的大小、為將入射其上的太陽輻射反射進小孔而將各平面區段被對準的精確度、和拋物面反射器的整體形狀限制。
適當地，每一支撐部件均具有安裝在其上的連接部件，使得在相鄰支撐部件的連接部件被連接到一起以形成框架時連接部件形成一以反射器的中心作為中心和半徑約為反射器半徑的3/4的圓或圓柱。各平面區段可被安裝成跨越二支撐部件間的徑向距離，而相鄰支撐部件可被連接成面對基本上相等的反射器中心角。
為降低反射器的重量而同時能維持其結構完整性，無需全部支撐部件均伸展從反射器的外周邊到其中心的整個距離。而是某些支撐部件可以僅伸展到沿反射器半徑的一半處的點。這是利用這樣的事實，即在一圓的半徑增加時其周邊亦增大，反之也是。因而，一大小足以跨越在反射器的外周上二相鄰支撐部件之間的距離的平面區段將在一半半徑處跨越三個相鄰支撐部件之間的距離(和在半徑的1/4處跨越四個相鄰支撐部件間的距離，等等)。
每一平面區段當被安裝到框架時具有一距反射器中心最遠的外邊緣，它基本上垂直於從所述外邊緣的中心伸展到反射器中心的連線，各平面區段的外邊緣的長度最好等於或小於一預定的基本上等於反射器外周邊相鄰支撐部件之間距離的最大長度。此預定的最大長度，如上所述，取決於接收器的尺寸。
適當地，第一支撐部件被插入在從反射器的周邊伸展到其中心的第二支撐部件與第三支撐部件之間，此第一支撐部件徑向向內延伸僅到達第二與第三支撐部件間的距離等於該預定的最大長度處的一點。
這樣的配置不僅降低平面區段的整個數量，也減少至少某些支撐部件的長度、以及重量，而不犧牲支撐反射器的框架的結構強度。僅一些支撐部件需要伸展從反射器的外邊緣到其中心的全部距離，這些支撐部件的確切數量取決於象反射器的整體尺寸和接收器的最大尺寸(它確定平面區段的最大尺寸)這樣的因素，如同那些非反射器的半徑長的支撐部件的尺寸。
最好地，框架由多組支撐部件組成，每一組包括一系列具有長度l1、l2、l3…lx的支撐部件，其中x為一偶數而各支撐部件的長度由下式規定(1)l1＝L(2)ln=L2]]>其中n為偶數(3)lx+12=x-1xL]]>其中n小於x/2，非偶數(4)ln＝3/4L其中n+1可以4整除＝7/8L其中n+3可以8整除＝15/16L其中n+7可以16整除
＝31/32L其中n+15可以32整除(5)Ln＝1(x+2-n)其中n>x+22]]>L為從反射器周邊至其中心的距離。
將會理解，如上描述的反射器的「非常平架式」安裝、太陽輻射接收器的結構和拋物面反射器的結構特點表明對用於將太陽輻射變換成電能的已知設備的重大改進。本技術領域的熟悉人士亦將了解到這些特點的每一個均能與其他的無關地獨立應用。
現在參照附圖舉例說明按照本發明的設備的實施例，所列附圖為

圖1按照本發明的拋物面反射器設備的透視圖；圖2為圖1的設備用的支撐框架的部分的一實施例的平面圖；圖3為圖1的設備用的支撐框架的另一部分的平面圖；圖4為在反射器處於第一水平位置中時圖2和3中所示框架的示意側視圖；圖5為圖2的被圈出區域的放大圖；圖6和7為類似於圖4的側視圖但分別表示反射器處於中央的和第二垂直位置；圖8、9和10為用於支撐和移動反射器的框架機構的第二實施例的視圖；圖11為裝有圖8的至圖10的機構的設備的透視圖；圖12為用於升高反射器的框架機構的另一實施例的側視圖；圖13為支撐接收器的優選方法的透視圖；圖14和15為表明在側面平行的接收器空腔中由拋物面反射器產生的太陽輻射的會聚的示意圖；圖16和17為按照本發明的太陽輻射接收器的優選組構的側視和示意透視圖；圖18至21為說明圖16和17的接收器的優選特性的斷面或示意圖；
圖22a和22b分別為構成支撐拋物面反射器的框架的部分的支撐部分的透視圖和端部平面圖；圖23a和23b為圖21a和21b的支撐部件的部分的替換組構視圖；圖24為包括多個支撐部件和反射平面區段的拋物面反射器的一部分的示意平面圖；圖25為按照本發明包括多個反射平面區段和多個支撐部件的拋物面反射器的一部分的示意平面圖；圖26a和26b說明拋物面反射器中用的平面區段的替換形式。
圖27表示將圖26b的反射平面區段固定到圖22a和22b的支撐部件的方法；和圖28表示對準形成拋物面反射器的部分的反射平面區段的方法。
圖1表示一按照本發明的接收和會聚太陽輻射以產生電能的設備1的實施例。此設備包括一用於將太陽輻射反射進由許多支腿7安裝在鄰近反射器的焦點的位置處的接收器5的拋物面反射器3。
反射器被安裝到一託架、即底座9，它包含有用於升高反射器3和接收器5的機構，這在下面進一步說明。此託架9被安裝成圍繞多個導軌11旋轉，其上還安裝有一當反射器3被降低到水平位置時基本上包圍住它的擋風屏13。
此設備1以下述狀態工作。託架9被驅動來轉動和升高反射器3到面向太陽的位置，由此來收集和反射入射在反射器3上的太陽輻射以便將此太陽輻射會聚到(或進)接收器5。接收器5用來吸收熱能然後將之變換成電能。這通過將在接收器5中被加熱的諸如水或蒸汽之類的工質泵到透平機或熱機(圖中未示出)來實現，在此，工質中的熱能被用來驅動發電機。被冷卻的工質然後循環回到接收器5。工質的循環路線可方便地經由設備1的基座上的柔性連接(未圖示)沿著一或多個支腿7內部進出發電機。
旋轉和提升驅動裝置(未圖示)用於使反射器作方位和高度上的運動以便跟蹤太陽的晝夜和季節運動，如所周知。在發生強風足以損壞反射器3或顛覆設備的情況下，反射器3被降低使其成為水平的。擋風屏13的高度是在當反射器3為水平狀態時要使擋風屏13的上邊緣與反射器3的周邊為同一水平，或最好稍高於後者。這防止風由下面到達反射器3而可能造成對它的損壞。
由圖1可看到擋風屏13具有一被切割的部分。這一部分對應於圖示的被升高的位置中的反射器3的最低部分，從而反射器的該部分即不會處在擋風屏13的遮蔽中。這使得反射器3能通過圍繞一儘可能低的軸轉動來升高，這就意味著設備1(在反射器3被降低時)呈現給強風的是一盡可以低的輪廓。
參看圖2，反射器底座9被支撐在五個類似於鐵路軌道的同心圓導軌11上，並在其上面轉動。底座9包括二個在導軌11上運行的平行梁15。在梁15之間與其垂直的有二根也在導軌11上運行的類似的梁17。在同一平面中並沿著圓周連接梁15一端的端頭和梁15及17的雙方端頭的是梁19。在梁15之間和梁17之間的長弧上梁19在點21處到達該點正上方的一點並在導軌11的最外一個上面運行。
安裝在並垂直於梁19的有多個三角形框架23(見圖5)。如箭頭24所示，它們被以變化的距離安裝跨過梁19，以便使立柱25接位於最外導軌11的正上方。這樣立柱25在該導軌上面形成一圓環。在立柱25上附著以包覆蓋層以形成擋風屏13。框架23僅伸展到圖2中所示的點27。梁15和17上安裝有壓載箱29，其中裝填以泥土或其他合適的材料來穩定底座9。
底座9上安裝有用於支撐和升高反射器3的結構31(見圖3)。此結構31由兩對平行梁33組成。每對梁33之間的間隙位於梁15之上。位於梁33的端頭並被向上抬起的是樞軸35。這些樞軸中兩個在梁15上並位於最外面第二導軌正上方。梁37位於梁33之間並與之垂直。參看圖4，梁15上有一與一傳動齒輪41協同動作的齒條39。傳動齒輪41在杆43的端部並位於中央導軌11正上方。杆43可由另一齒條和傳動齒輪系統45(見圖7)作套疊式地伸長到其原始長度的180％。杆43的相對於傳動齒輪41的另一端為梁33之間的樞軸47。梁49將樞軸47連接到樞軸35，正好在反射器3之下並通過反射器支撐部件運行(後面將說明)。梁49用於加強反射器支撐結構。
在傳動齒輪41沿齒條39移動時圍繞框軸35提升反射器支撐結構直到杆43成為垂直，如圖6中所示。此時傳動齒輪在最內的導軌11正上方，而立柱43和齒條及傳動齒輪裝置45則作套疊式伸長，直至反射器3成為如圖7中所示地垂直。
拋物面反射器3包括被許多徑向伸展的支撐部件支撐的反射覆蓋層，下面將更詳細討論。相鄰支撐部件如圖3中所示沿一圓周51相連接。
圓周51以由每一對梁33和梁37的最外二根梁之間的中點連線形成的正方形為中心。樞軸47位於圓周51與各對梁33之間的中點相交點的正下方。
在梁33與二最外面梁37相遇處的點53(圖3)被安裝在支撐接收器的支腿7的端部。
旋轉反射器底座和驅動齒條及傳動齒輪系統的電動機無需很大功率，因為跟蹤太陽所需的運動僅僅是很緩慢的。但如果發生強烈的風，反射器3必須作快速下降和轉動。作下降可由脫離電動機並利用受控制動系統來達到。為迎風轉動反射器3則必須設置高速驅動系統。
上述實施例被設計成在反射器3處於被降低的位置中時儘可能地低，以保持擋風屏13很低並處在接近地面的較慢的風中。這是在使樞軸35在反射器3之下並近可能地低於反射器3以便縮短梁33並降低對它們的彎矩，與當反射器3處於恰當地升高的位置中時保持反射器的最低邊緣55(見圖7)在導軌11之上之間的折衷措施。依靠使得梁15因而每對梁33相互更接近可保持點55很高，但這將增長梁33而且降低反射器支撐結構的扭轉抵抗力。可能更值得有效升高梁33直至它們的端頭與樞軸35成為同一水平。這樣將無需梁49，但反射器3的高度將約成為下降位置的二倍，要求擋風屏13變為二倍高。這一變化具有的優點是，用來提升反射器3的裝置在被降低位置中不必如此的緊湊，因為梁33與15之間具有更多空間。也可能更值得有效地使梁49或者甚至樞軸35能穿過反射器3伸出而僅損失反射器3的總反射面積的很小部分，這一變化將使反射器3和擋風屏13較之前面所說的要低。
反射器3的曲率也是折衷的。如果反射器3很深接收器5就不必那樣高，但深反射器是存在數個缺點。為了截取太陽光反射器的面積較大，而這需要較多的反射材料且加工較昂貴。深反射器在被下降的位置中也較高，所以需要較高的擋風屏。也許最重要的是，經反射的太陽輻射線從反射器外邊緣(大部分太陽幅射均由這裡反射)射到接收器5的角度較淺。這就是說，從反射器3的外邊緣反射的輻射線射到接收器5，在它們離開接收器5之前它們可能在其中僅被反射過兩次。在僅僅兩次反射後，此輻射線將仍然攜帶有相當數量的能量，它們就將損失掉。
這樣，反射器3最好保持很淺而選擇一個半徑等於X＝0.2因而高度為Y＝0.04的反射器(反射器表面由等式Y＝X2確定)。而此反射器3外邊緣的梯度將為0.4，約為22°，從而光射線將以約45°射入接收器5。這將接收器5置於反射器3的下中心點之上約1.25倍反射器半徑處。
上述設備將適宜於在風速最高接近15m/s時運行。對於一75m的直徑的反射器，當反射器3被充分升起並垂直面對著風時，這樣的風將產生約65-85噸的力。因而，反射器3、接收器5和支撐結構31最好被設計成為類似的重量。壓載箱29有助於防止結構因強風倒塌。
在很強的風的情況下，反射器3被下降到水平位置以便依靠擋風屏13擋住風。設備1還被加以轉動以使點57(見圖2)面對風，而將擋風屏13的弧形開口(圖2中點27之間)置於背風位置。
可以設置替代的反射器提升裝置，例如多級液壓推桿或者與齒條和傳動齒輪系統相結合的單級推桿。在不存在擋風屏13的地方可放置移動擋風屏(未圖示)圍住其弧段。這可能較之設置高速旋轉驅動器來迎風轉動點57更經濟有效，如果可能無預警而發生強風的話。
圖8至11說明用於支撐和提升反射器3的替代機構。類似於圖2中梁15的梁15′伸展穿過擋風屏13，後者延伸為基本上為一完整的圓，僅在梁15′的上方被切斷。部件59被裝在反射器3的基座上，並被在點61作樞軸式安裝到另一部件63的端部。部件63的另外的端頭在點65被作樞軸式安裝到梁15′的端部。齒條67固定到每一梁15′的上部和傳動齒輪69被固定到部件59的端部。傳動齒輪69的轉動作用於將反射器3由圖8中所示的下降位置向著垂直位置(圖10和11)上升。在擋風屏13的周邊外側還設置有導軌11a、11b，供梁15′的端頭在其上面運行。
圖12說明用於支撐和提升反射器3的其他機構。如圖2中那樣，梁15″僅在擋風屏13的周邊之內伸展。在梁15″的一端固定有一帶樞軸15的支柱。梁49和71從這一樞軸伸展而反射器骨架則座於連接梁49和71的梁33上。在梁71和33之間還增加有軸助梁72和74作增強用。梁33由梁37相互連接，梁74由梁76相互連接。梁71與支柱73之間連接有一推桿用於將反射器3升高到所需位置。支柱73最好有足夠的高度以防止反射器3的最下邊緣55觸及地面。
接收器最好由圖13所示的梁7和8作如該圖中那樣的支撐。梁8的下側覆蓋耐火磚111，如梁7的下側一部分那樣。此配置降低經反射的太陽輻射被這些梁引起的阻礙。梁8最好為0.08反射器直徑長。
反射器3有效地將太陽輻射反射和會聚到接收器5上。通常的接收器將熱能從經集聚的太陽輻射傳送給工質，此被加熱的工質被用於驅動發電機。最經常的是，此工質為水而發電機包括一蒸氣透平機。為使因輻射反射出接收器所造成的能量損失最小，它們通常被形成為帶有作成錐體狀的空間。輻射通過錐體的基部處的小孔進入空腔，而任何被反射的輻射均傾向於被反射到錐體的另一部分上而不會由接收器丟失。作成錐形的空腔的一個問題是，太陽輻射趨向於在整個空腔表面上不均勻地分布。這會產生將降低效率並可能損壞構成空腔的材料的過熱點。為使太陽輻射均勻分布採用了各種不同的空腔形狀，例如柱狀的或連續彎曲的空腔，取得不同程度的成功。
影響集聚在接收器內的太陽輻射的均勻性的二個因素是拋物面反射器的尺寸和形狀。因為反射器的面積與其半徑成比例增加，反射器的外部分比內部分收集和會聚更多的太陽輻射。例如，如將圓的半徑分成為10個相等長度，圓面積的大約19％是在由半徑的最外面的10％所形成的環帶中，面積的約17％是在下一個10％中，約15％在再一個、約13％在再下一個等等直至約1％在最內的圓中。圓面積的約1/2是由其半徑的最外面30％構成的。
對於上述的拋物面反射器，其中在最外周邊處反射器的梯度約為0.4，亦即約22°，光射線將以對水平的角度(假設反射器為水平的而太陽正在頭頂上)即在約46.4°和88°之間進入接收器(接收器本體阻止到達反射器中央部分的太陽射線)。由於反射器最外面30％反射入射到反射器上的太陽輻射的約50％，一半的太陽輻射在角度46.4°和58.7°之間進入接收器空腔。對於一側邊平行的接收器，為清楚起見如圖14和15中所示，在角度46°和58°之間反射的輻射以更大角度入射到接收器壁上，這就是說，該輻射散布在比其餘的由反射器的最內部分、由中心到整個反射器半徑的約70％所反射的太陽輻射散布的要小的距離上。在圖14和15中，從反射器3反射的光通過一小孔79進入接收器5a的側面平行的空腔81。空腔壁的最外部分83接收少量甚至接收不到被反射的太陽輻射，它被設置用作處理反射器3相對接收器的任何未對準情況。全部被反射太陽輻射的約50％被集聚在空腔壁的下一部分85上，太陽輻射的剩餘部分被散布在空腔壁的下一部分87上，它大大長於部分85。
影響接收器空腔設計的其他因素是必須保證接收器內被反射的太陽輻射不由其中逸出(最好依靠將空腔作成這樣的形狀，即每一射線在空腔內至少被反射三次)和使對流和輻射損耗最小。
圖16和17說明用於接收器空腔的優選形狀，它吸取了改變太陽輻射密度的二個方法的優點。它們是增加太陽輻射的入射角將因在較大面積上散布而降低輻射密度，和增加接收器空腔的那些輻射密度高的部分的半徑也將降低該密度。
圖16以斷面表示接收器5的內部空腔81的形狀，它計及到上述因素能有效地使入射其上太陽輻射密度均勻。光線通過小孔79被反射進對一垂直於小孔79的軸對稱的空腔81。
空腔壁的起始部分89是圓柱形的，如果反射器被正確對準將沒有太陽輻射射入到這一區域，但它主要是用於防範反射器相對於接收器5的任何少量的未對準的。空腔壁的下一部分91具有一斜面，它藉助增加進入射線的入射角來將這一區域所接收到的高功率密度散布在一更大面積上。此斜面還增大接收器5的半徑，而將射線散布在一更大面積上。接收器壁的斜面然後在功率密度開始降低的部分93處迴轉。這通過減小入射角而能取得在此區域中稍加集聚射線的效果，這是必須的，因為由半徑增大而造成的功率密度降低在這裡最大。在部分95中，接收器壁的斜度逐漸減小來保持其越來越向著輸入射線的法線，因為沿著這一區域功率密度進一步降低。減小半徑(向著空腔81的遠端97)也具有在這一區域中集聚的效果。
空腔81的這種形狀不僅使功率密度均勻，而且也削弱由接收器產生的傳導和黑體輻射損失。實現這一點是因為接收器的內部體積對接收器進孔的面積之比在這一設計中比在錐形設計中的要大得多。
如圖17中所示，空腔壁上的每一點不僅從正對著的反射器邊而且還以斜角從任一可由其看得見的反射器上的點接收輻射。以一典型的反射器的反射表面的「平面方塊」區段為例，空腔壁上的每一點均從被圍繞反射器的各個這種區段的角所劃出的圓接收輻射。
圖17中表示空腔壁的截面。鉬合金壁99直接被太陽輻射加熱。此熱能流通穿過壁並被傳送給工質，如熔化的鈉。熔化鈉穿過接收器5自上而下或由下向上地流動，見後述。鈉由一包圍著鋁壁99的奧氏體不鏽鋼殼101包持著。這再由絕熱層包圍住，此絕熱層可採取在連續不鏽鋼殼103內的數層真空絕緣106的形式，如果採用不鏽鋼，就無需擋風屏來保護接收器5。
在被集聚的太陽輻射加熱的接收器的最內殼的外側上有垂直葉片104和105(見圖18a和18b)。葉片104向下伸展接收器的整個長度，而葉片105則存在於接收器的直徑最大處，以減小葉片104之間的間隙。這些葉片具有數種功用。它們增加接收器在外部壓力下自身的抵抗破壞的能力。這就意味著接收器壁可以成為較薄，結果能改善對鈉工質的熱傳送。它們還增加用於熱傳送的表面面積，和藉助設置供鈉流通的溝道而有助於防止當白天的兩頭接收器接近水平時鈉聚集在接收器的一側。葉片在熱膨脹和收縮的極限內伸長到接觸不鏽鋼殼。
選擇鉬合金是因為這些合金在高達1100℃時具有極佳的強度和導熱性。選擇熔化的鈉作為冷卻劑，因為它具有低的蒸發壓力，在900℃時約為1.2大氣壓。這就是說接收器壁上的壓力很低。因此僅需很薄的鉬來承受它。壁越薄越好，因為在抵達鈉之前熱能必須通過的距離較短，故熱傳導性能好。形成包容鈉的其他壁101的奧氏體不鏽鋼含3％的鉬，可承受高達750℃的高溫。真空絕緣106是將熱保留在鈉中的理想裝置。
鉬也有缺點。在它於高溫下暴露於空氣中時會氧化。因而它必須置於惰性大氣或真空中。為了維持這二種情況，必須採用氣密材料來封裝將發射波長290-4000nm的輻射的空腔81。玻璃對此是不適用的因為它不透過紅外線，而這裡存在著大量的太陽能。氯化鈉可透過全部這些波長；但易於受空氣中的溼氣成為霧化狀態。這對所有紅外發射器是共同的，或許除了石英，但石英很難加工而且價格貴。氯化鈉是優選材料，如果它成為霧化狀時可加以拋光或替換。
窗口的形狀很重要。為使進入的輻射從窗口反射最小，輻射必須儘可能接近垂直地射向它。因此它作成為如圖20中所示的拋物面拱頂107的形狀。
拋物面拱頂107的上邊緣處的直徑大於空腔入口小孔79的直徑具有二個優點。它提供輸入輻射以儘可能接近垂直地下落的理想形狀。輻射通過拱頂行進也是發散的，因為比起在二直徑相等時的情況，它從被反射的輻射的焦點通過拱頂前進得更多。這很重要，因為在高功率密度下通過拱頂行進任何被吸收的輻射均會造成很大的發熱。如果接收器被抽真空時此拱頂形狀在設計強度方面也是有利的。就防止因對流和傳導而造成的熱損失方面來說採用抽真空的接收器是可取的。
由壁99構成的空腔內表面設置以高溫粗糙塗覆層(未圖示)以降低輻射的反射。這一塗覆層可用來防止鉬的氧化，這時將無需窗口，這取決於其相成本對於由其節省的傳導和對流的損失。
採用熔化鈉作為工質也有缺點。當太陽不照射時鈉冷卻最終在91℃轉變成固態。這在接收器5中無關緊要，因為當太陽再次出現時它會立即熔化，但在將其載運到蒸汽發電機(未圖示)的管道和泵中仍保持為固態。這樣就必須利用由非太陽能裝置供給功率的將管道和泵加熱到91℃以上的裝置，例如包圍它們的電熱線圈。鈉還與水作劇烈反應，因而必須仔細地設計鈉一水蒸汽發電機。這種類型的蒸汽發電機已在也是利用鈉作冷卻劑的快中子增殖核反應堆中成功地運行。
為通過蒸汽過熱和再過熱來實現標準電站的蒸汽參數54℃和16.5Mpa，鈉必須要比此熱很多。在也利用熔化鈉作為冷卻劑的快中子增殖核反應堆中，鈉具有550～600℃的反應堆入口溫度。
鈉和鉀的合金可能顯現其吸引力，因為它在室溫下為液態，但它對管道中採用的鋼材有不利影響。泵是另一種選擇，但這具有更高蒸汽壓力並可能造成重金屬中毒。
而在產生過量的功率的情況下，也可將被加熱的工質(鈉)導引至一絕熱的保存罐以便在太陽不照射時被抽取來提供連續的功率。為作連續的最大功率輸出而不是僅在太陽照射時，需要約三倍數量的反射器。
二氧化碳和氦氣也被用作為核反應堆中的冷卻劑。在一先進的氣冷反應堆中，二氧化碳氣體具有最大溫度和壓力為648℃和4.4Mpa。接收器可作適於這些條件的重新設計(見圖21)。鉬壁99可維持差不多同樣厚度，並設置多層冷卻氣體管109，相互盤繞得儘可能接近，並圍繞在接收器壁周圍。這些管子109必須有足夠厚度以承受4.4Mpa(44bar)，這不便於熱傳輸。奧氏體不鏽鋼的其他壁101可保留。盤管109間的空隙可填充以優良的導熱體如石墨或鋁粉或顆粒。接收器壁上具有均勻的功率密度，在氣體向上或向下流過接收器時將逐漸地吸取熱能。這樣就無需使管子109折回，由接收器的較熱的下部出來回到遠離接收器的上部。代之以，它可以只是向上繞回接收器接近壁。在任何情況下，熱工質從接收器的最上面區域退出對降低泵動操作均是有利的。最好設置檢測接收器中工質的溫度的裝置，通過控制裝置連接到一個泵和閥門裝置(未圖示)，以便僅在它到達其最佳工作溫度時才循環工質。
如採用熱氣體作為工質，它們可直接用來驅動布雷通循環氣體透平發電機。
可直接利用水作為工質，但在優選的標準電站蒸汽參數約為540℃和16.5Mpa(約2500psi)時，管壁將必須厚得多。
如在運行期間迷失對太陽的跟蹤，被聚焦的太陽輻射可能前進橫穿接收器，而具有足夠熔化鋼材的太陽能通量。這樣，任何易受到被聚焦的太陽影象掃過的區域均必須以耐火磚111等加以保護，見圖20。設置如圖示的的盤來保護最接近反射器的接收器的外側將比以耐火磚覆蓋整個接收器便宜。
圖22a、22b、23a、23b和24說明用於反射太陽輻射的拋物面反射器的結構。用於支撐拋物面反射表面的框架(其一部分如圖24中所示)包括多個徑向伸展的支撐部件113，它們在反射器的中心和矩形板117鄰接處連接到一起。每一支撐部件113包括一具有用於支撐反射器的反射表面的拋物面或接近拋物面的表面的彎曲部件115，並具有將彎曲部件115的端部結合到矩形板的縱向部件119、121。可設置交叉撐杆(未圖示)來加強支撐部件113。彎曲部件115可包括有一帶彎曲邊緣的扁平板123，其上安裝以另一長度的帶狀材料125以形成彎曲的T斷面部件，如圖23a中所示。或者，彎曲部件115』可被形成為一系列線性梯級，如圖23b中所示，以便在其上安裝由多個平片、或區段所構成的反射表面(這比起一彎曲的整體的反射表面更易於製造並較便宜)。
包括有這樣一框架的反射器的一部分如圖24中所示，相鄰支撐部件113如上述被結合在一起，其上安裝多個平面反射薄片127。各平面薄片127跨越相鄰支撐部件113之間的距離，並安裝到它們上面。由圖24可看到，各平面薄片127的尺寸隨其距反射器中心的距離減小而減小。這樣，如圖24中所示結構的反射器將具有很大數量的大小和形狀不同的平面薄片127，以及如此構成的反射器將會不必要地重。因而用於這樣的反射器的支撐和提升機構將同樣很重，設置將無必要地昂貴。
對一拋物面反射器作的改進結構配置如圖25所示。最外平面薄片127的最外邊緣的最大切向長度決定於太陽輻射將被反射進的小孔的尺寸(這對各平面薄片的最大徑向長度也同樣適用)。從反射器的最外邊緣向內作徑向移動，在等於反射器半徑的1/2的點上，具有長度等於最大切向長的外邊緣的平面薄片127a將跨越三個相鄰支撐部件115、115a、115b之間的切向距離。因而，中央支撐部件115a僅需要反射器半徑的一半長。在由反射器中心起至其半徑的1/4的距離處，一最大長度的平面薄片將跨越五個相鄰支撐部件115、115a、115b、115a、115之間的距離，因此中央支撐部件115b僅需要反射器半徑長的3/4，如此等等。
這樣，隨諸如平面區段的最大尺寸和反射器的直徑等的因素而定，相鄰支撐部件的長度即可作為反射器半徑的比例以數字循環級數來表述它們的長度，亦即1，1/2，3/2，1，1/2……；或1，1/2，3/4，1/2，1，1/2，3/4，1/2……；或1，1/2，3/4，1/2，7/8，1/2，3/4，1/2，1，1/2……；或1，1/2，3/4，1/2，7/8，1/2，3/4，1/2，15/16，1/2，3/4，1/2，7/8，1/2，3/4，1/2，1，1/2……；等等。
各級數可被表示為一循環「組」，各組包括數量為2的冪的支撐部件，即2、4、8、16、32、……即2X個支撐部件。
從而，反射器可為如圖25中所示結構，它比起通常的包括多個反射平面薄片的反射器既較輕也較便宜。上述的構成用於拋物面反射器的支撐框架的原理可適用於任意大小的反射器。
圖26a說明由自支撐材料如拋光鋁或鋼127a或由玻璃127b(圖25b)構成的象普通鏡子那樣的平面薄片。玻璃平面薄片127b將由強固但重量輕的材料的框架129支撐，例如鋁合金材料的。
平面薄片127如圖27中所示那樣被穿過各平面薄片127a或各框架129中的孔131的可調整的螺栓裝置133安裝到支撐部件115，由此可將各平面薄片127藉助雷射器135對準來正確地把光反射進接收器(如圖28中所示)。雷射器135由一垂直於拋物面的對稱軸的梁137支撐並沿其移動，從而使一平行該軸的雷射束在大約其每一邊的中點處射到各平面薄片127上。然後薄片127依靠螺栓裝置133加以調節以便將光直接反射進接收器5的小孔。
在普通的鏡子中，反射表面是一般為銀或鋁的背襯間的分界面。但波長500nm左右的光被正常的即「綠」玻璃所吸收。採用銀背襯所得到的最大反射效率為85％。由減少玻璃的鐵含量效率可增加到94％。這種玻璃已應用在一些太陽熱能利用中。某些前面鏡被塗覆以薄層矽來保護它們。矽由阱透射進UV約2500～3000nm。3000與4000之間的IR不被大氣吸收但為矽吸收。如果要用矽它可被用於拋物面拱頂窗，但大的複雜尺寸中它也可能難以加工。本發明提供一較已知系統更有效且較便宜的由太陽輻射生成電能的設備，還能免遭風力損壞。很顯然，接收器結構和反射器結構的特點可以被獨立於這裡所說明的非常平架式安裝和擋風屏結構加以應用。
權利要求
1.一種收集和會聚太陽輻射的設備，包括一反射器；用於使反射器圍繞第一基本垂直的軸轉動的裝置；用於使反射器圍繞第二軸作樞軸轉動的裝置，此第二軸位於一平行於該垂直軸但不與之重疊的平面內，此樞軸轉動裝置的作用是使反射器旋轉到一使反射器的周邊位於基本水平的平面內的第一位置與一使反射器的周邊位於基本垂直的平面內的第二位置之間的任何位置；和一擋風屏，圍繞垂直軸伸展以便至少部分地包圍住第一位置中的反射器的周邊，此擋風屏的高度作成其上邊緣與第一位置中的反射器的周邊邊緣處於相同水平或伸出其之上。
2.權利要求1所述設備，其特徵是該第二軸是基本上水平的。
3.權利要求1或2中所述設備，其特徵是該第二軸是相對於第一軸固定的。
4.權利要求1、2或3中所述設備，其特徵是包括一託架和使此託架圍繞第一軸轉動的裝置，該反射器被安裝成隨同此託架旋轉而相對它作樞軸轉動。
5.權利要求4中所述設備，其特徵是擋風屏被安裝到該託架以便隨其旋轉或者被安裝成能獨立於反射器運動。
6.前述權利要求中任一個所述設備，其特徵是該第二軸位於擋風屏的周邊之內。
7.權利要求2、或在從屬於權利要求2時權利要求3至6中任一個所述設備，其特徵是第二軸在擋風屏的下邊緣以上的高度等於或大於反射器處在第一位置時第二軸與反射器的周邊之間的最大水平距離。
8.權利要求2或在從屬於權利要求2時權利要求3至7中任一個所述設備，其特徵是擋風屏不伸展到在反射器處於第一位置時被第二軸所對著的反射器的周邊的部分附近。
9.前述權利要求中任一個所述設備，其特徵是包括有檢測風速和風向的裝置，當所檢測的風速超過了預定速度時該樞軸轉動裝置用來將反射器降低到第一位置。
10.權利要求9中所述設備，其特徵是該轉動裝置用來將反射器轉動到一該第二軸垂直於所測得的風向處的位置。
11.前述權利要求中任一個所述設備，其特徵是包括控制裝置用以促使轉動裝置和樞軸轉動裝置驅動反射器來跟隨太陽作晝夜和季節運動。
12.前述權利要求中任一個所述設備，其特徵是反射器為一點聚焦反射器，此設備包括被安置於反射器的焦點近旁的接收器用於吸收由反射器收集和會聚的太陽輻射來產生電能。
13.權利要求12中所述設備，其特徵是該接收器被支撐在在被反射的射線途徑之外從反射器伸出到接收器的梁上。
14.前述權利要求中任一個所述設備，其特徵是此反射器是拋物面的，並包括多個安裝到一個框架並由其支撐的平面反射區段。
15.權利要求14中所述設備，其特徵是該框架包括有多個支撐部件，這些支撐部件從反射器的外周邊緣向其中心徑向向內伸展並具有形成為拋物面的扇面或一系列趨近它的線性梯級的平面區段支撐表面，相鄰支撐部件被連接到一起。
16.權利要求15中所述設備，其特徵是某些但不是所有的支撐部件從反射器的外周邊緣伸展到其中心。
17.用於收集和會聚太陽輻射的點聚焦拋物面反射器，包括多個平面反射區段，框架包括多個支撐部件，這些支撐部件從反射器的外周邊緣向其中心徑向向內伸展並具有形成為拋物面的扇面或呈一系列趨近它的線性梯級的平面區段支撐表面，相鄰支撐部件被連接到一起。
18.利用前述權利要求中任一個所述設備的方法，其特徵是包括在方位和高度上驅動反射器以便跟蹤太陽的晝夜和季節運動，和在風速超過一個預定速度的情況下驅動反射器到達所述第一位置，在此位置反射器的周邊至少部分地被擋風屏所包圍。
全文摘要
用於收集和會聚太陽輻射以產生電能的設備,此設備(1)包括一可旋轉的反射器(3),它被作樞軸轉動到一側以便能位於一垂直位置或降低到一水平位置之間。在水平時,反射器被一圍繞著的擋風屏(13)保護以防遭受強風。反射器(3)最好為拋物面的並被安裝成能將太陽輻射集聚和反射進接收器(5)。
文檔編號F24J2/54GK1209197SQ9618010
公開日1999年2月24日 申請日期1996年12月24日 優先權日1995年12月29日
發明者約翰·哈裡森 申請人:約翰·哈裡森