專利名稱：用于太陽能接收器的窗系統、方法以及使用其的太陽能接收器系統的制作方法
用于太陽能接收器的窗系統、方法以及使用其的太陽能接
收器系統相關申請的交叉引用本申請要求根據35 U. S. C. § 119(e)的2008年10月23日提交的第61/107，889 號美國臨時專利申請的優先權。前述的臨時申請在此通過引用其全部被并入。背景本公開內容一般涉及集中太陽熱能的系統，且更具體地，涉及太陽能集中器的太陽能接收器部分，太陽能集中器如使用圍繞中央塔的拋物面(反射器)或磁反射鏡場的太陽能接收器系統。通過聚焦鏡系統產生的集中的太陽能量已經被用于加熱工作流體來用于功率轉換或高溫處理熱力應用。通常在系統的太陽能接收器部分內實現范圍在700至1100攝氏度的溫度。典型地，太陽能接收器具有用于接收聚集的太陽功率的孔和在由流體冷卻的接收器腔內的吸收器。流體可以是熱機循環如Mirling、Brayton或Rankine循環熱機的工作流體。可選地，流體可用于高溫處理，如熱化學轉換，能量輸運或熱能存儲。一般地，太陽能接收器的效率是孔的尺寸和腔的溫度的強函數，因為從吸收器到環境的二次輻射代表主要損失。已經使用窗或蓋玻片以通過阻止一小部分紅外能量同時透射大部分太陽光譜來減少該二次輻射。這通常被稱為“溫室”效應。由于窗的紅外吸收及其自然對流損失的減少，增益稍微被來自窗表面的太陽能反射抵消(offset)。適合于太陽能接收器的大多數窗材料具有約1.4至1.6的折射率。而對于大多數透射窗材料，空氣與窗之間的折射率變化導致反射損失約4%每接觸面或對于窗的兩側共8%。這些損失一般被稱為菲涅爾損失。本公開內容針對用于太陽能接收器的改進的窗系統，其提供對熱二次輻射的高水平的阻止同時最小化菲涅爾損失。在其他的方面，本公開內容針對使用相同的窗系統的太陽能接收器以及制造的方法。現有技術的描述集中太陽功率產生的現有技術方法使用光學器件以將熱能遞送到太陽能接收器， 用于通過熱力發動機將熱能轉換成電。
圖1說明現有技術的太陽能接收器系統，其包括安置在結構2上以反射并集中太陽光線1到太陽能接收器3上的拋物面反射器4。圖2提供太陽能接收器3的全視圖，其包括孔5和吸收器7，孔5用于允許太陽能量進入具有前腔部分6的腔內。設置前腔部分6的接受角以避免反射的日光的直接輻照。吸收器7配置成吸收功率并將該功率轉移到工作流體。吸收器7可以是管狀的，具有板-翼結構，或是開放式矩陣，如蜂窩、站銷(standing pin)或多孔泡沫。流體可以是空氣、氦氣、氫氣或任何數量的用在熱機循環、熱化學反應或熱存儲應用的流體。可在孔5放置光學窗以幫助保留熱能在接收器的腔內。窗材料透射大部分的太陽光譜，而吸收從被腔部分6和7限定的腔輻射的大部分的紅外能量。圖3顯示如本領域一般已知的平盤式窗8。平的窗雖然簡單但是由于所謂的菲涅爾損失反射入射能量的一部分10，這與窗和空氣之間不匹配的折射率有關。圖4說明由平的窗8的菲涅爾反射。主光線1 交叉窗表面，其中透射的部分9通過窗，而反射的部分10在交叉點以與表面的平面成相等但相反的角度改變方向。如在圖4中最佳看到的，因為有兩個表面，S卩，窗8的面向內的表面和面向外的表面，有兩次菲涅爾反射光線10。對于代表性的窗材料，該反射代表約8%的總入射能量。圖5顯示具有凹面窗11的可選的現有技術太陽能接收器3a。如果窗凹面深入地凹出到腔中，菲涅爾反射在腔中別處改變方向，但不像對于平的窗的情況被損失。不是所有的凹窗以該方式有效地起作用。作為一個例子，來自半球形凹窗的菲涅爾反射分量將把其反射的能量的大部分指到前面的或近側的腔部分6上，而不是包含吸收器表面7的遠側腔部分。因此，可推斷僅深圓頂的(de印-domed)窗將有效地捕獲以菲涅爾反射形式的能量。 適于功率產生的、大的圓頂形的窗設備被已知是昂貴的，特別對于其中需要石英(熔凝二氧化硅)或藍寶石(氧化鋁)的高溫太陽能接收器應用。簡述在一個方面，提供用于一種類型的太陽能接收器的窗系統，該太陽能接收器具有太陽能量接收室、限定到太陽能量接收室的開口的太陽能量接收孔以及在太陽能量接收室內容納的太陽能量吸收器。窗系統包括由光學上能透射的材料形成的多個光學上能透射的構件且多個光學上能透射的構件被連接在一起以形成束狀陣列。在另一方面，提供太陽能接收器。太陽能接收器包括腔，用于接收進入腔的光的孔，設置在腔內的太陽能吸收器，以及由光學上能透射的材料形成的多個光學上能透射的構件，其被連接在一起以形成束狀陣列。束狀陣列被設置在太陽能接收器上孔處。在又一方面，一種用于制造太陽能接收器的方法包括形成一種類型的太陽能接收器，其具有腔、用于接收進入腔的光的孔以及設置在腔內的太陽能吸收器，束緊多個光學上能透射的構件以形成束狀陣列，由光學上能透射的材料形成的光學上能透射的構件的每個，以及將束狀陣列連接到太陽能接收器孔處。附圖簡述本發明可采取以各種部件和部件的布置的形式，以及以各種步驟和步驟的布置的形式。附圖僅用于說明優選的實施方式的目的且不被解釋為限制本發明。圖1說明現有技術的太陽能接收器裝置。圖2提供圖1中出現的太陽能接收器部分的全視圖。圖3顯示現有技術的具有平盤式窗的太陽能接收器。圖4說明由于現有技術的具有平的窗的太陽能接收器的菲涅爾反射。圖5顯示可選的現有技術的具有凹面窗的太陽能接收器。圖6A顯示根據本發明的示例性實施方式的窗系統。圖6B是管束12的不完整的橫截面視圖，一般沿著圖6A中出現的線6B--6B獲得。圖6C是圖6A中出現的區域6C的擴大的視圖。圖7說明示例性圓柱形管14的一般特征。圖8A顯示通過交錯固定的管的束狀陣列的不完整的橫截面視圖。圖8B顯示圖8A中出現的管的束狀陣列的不完整的俯視圖。優選實施方式的詳細描述
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現在參考圖6A-6C，其中貫穿幾個視圖的同樣的參考數字指同樣的或類似的部件， 根據本公開內容的示例性實施方式出現有窗系統12，其可有利地被配置成捕獲菲涅爾反射且其也可以被生產而無過多的成本。窗12包括由光學上能透射的材料形成的光學上能透射的構件14的填充物(packing)。光學上能透射的構件14可以具有實心的或中空的結構， 且在描述的優選的實施方式中是細長的直的管14。雖然在描述的示例性實施方式中顯示的管14橫截面形狀是圓形的，但是將認識到還可以使用任何幾何配置例如橫向面是多邊形的管14。如本文所用的，術語“光學上能透射的”是用來指透射入射在其上的太陽輻射的相當數量部分的材料。在可選的實施方式中，構件14可以是由光學上能透射的材料形成的實心棒，且同樣地可以具有圓形的、多邊形的或其它橫截面形狀。雖然本文通過參考使用中空的或管狀的光學上能透射的構件14的優選的實施方式描述所描述的優選的實施方式，但是將認識到本文公開內容同樣適用于使用實心棒作為光學上能透射的構件的窗系統。帶夾13或相似的拉緊設備伸展到外圍附近，使管14的陣列捆綁在一起。可選地， 管14可以被鎖在一起或捆綁在一起。管14可由光學上能透射的材料制成，光學上能透射的材料包括但不限于石英、硼硅玻璃(例如，PYREX⑧)、玻璃、藍寶石、金屬氧化物等等。 因為光學上能透射的構件14具有差的與它們的相鄰元素的熱傳遞，在太陽輻照的孔之外位于外周上的那些可能相對涼。因此，如圖6A和6C中顯示的過大的束可以用拉伸彈簧機構夾緊。如在圖6B中最佳看到的，在描述的優選的實施方式中，管14以六邊形緊密堆積 (close-packed)的配置被捆。圖7說明在此使用圓柱形管14的優選的實施方式的一般特征。管束名義上被定位于太陽能接收器3的孔5的平面21處，即，使得管束陣列12的朝外的光接收面一般與孔 5的平面21對齊。可以使用正如本領域技術人員所理解的一個或多個機械緊固件將束12 固定到太陽能接收器體3上，機械緊固件如一個或多個托架、夾子(clamp)、夾(clip)、搭扣配合緊固件(snap fit fastener)、夾(clip)、卡爪(dog)、棘爪(pawl)、擋板(bezel)或其它連接或復配工具。管束選擇性地可以延伸到吸收器平面20的上面，其限定在鄰近或前腔部分6和包含吸收器表面7的接收器腔的遠側部分之間的邊界。然而，對于實現良好的性能這一般不是必需的。遭受菲涅爾損失的管窗系統的部分僅是管末端，垂直于(normal to)圓柱體的軸尺寸。雖然這通常代表入射能量的非常小的部分，但這一損失可通過選擇薄壁的管或通過使管末端變圓、變薄、變尖銳或成倒角來降低。在由管14組成的束狀陣列12中，在吸收器7的平面20之上的、由吸收器7發出的紅外輻射17的一部分，可直接通過管孔；然而，當管14的長寬比(長度對直徑)增加時這部分下降。來自吸收器7的輻射17在所有方向被發射。因此，穿過管14的所謂的視角因數 (view factor)隨著管的長寬比的增加而減少。更高的長寬比的管用作有效的輻射屏障，因為吸收的能量具有至管的前端或面向外的末端的長的傳導路徑，其中管的前端或面向外的末端暴露于較涼的環境空氣。在優選的實施方式中，雖然考慮其它長寬比，但管14的長度與直徑的比L/D可以是約3或更大以確保腔輻射17的高度交叉。雖然對管14的直徑沒有限制，但具有約25毫米至約50毫米(約1英寸至約2英寸)范圍內的直徑的管可有利地被使用。本文描述的窗系統也可以用作腔對流損失的屏障，阻止腔外的浮力驅動的空氣的轉移。在可選的示例性實施方式中，本文的窗系統仍可使用環繞管14的束狀陣列的帶夾13 (參見圖6A和6C)，但還可以包括管上的特征以防止毗連的管14的相對移動或滑動。 在圖8A和8B的描述的實施方式中，管束包括兩種類型的管，即，直壁管30和非直壁管31， 非直壁管31在管末端具有凸緣、外傾(flare)或類似凸出體32。將認識到凸出體32可以是相對小的或輕的。另外，雖然描述的優選的實施方式顯示管31在兩端都具有凸緣特征 32，將認識到也考慮僅在一端或另一端上具有帶有凸緣特征32的管31的窗系統。可選地， 外傾或凸緣特征32不必是連續的，而可以是分段的外傾或凸緣或可以是凸出體或其它關鍵信息類似的(key-like)特征。當以緊密堆積的六邊形陣列形式捆綁時，外傾32鄰接毗連的管30的末端并防止直管30滑動。在又進一步的實施方式中，如上面所注意的，在描述的優選的實施方式中所說明的管14可以用實心的光學上能透射的棒代替。這些棒可以是直壁的或可以是直壁的棒與在一端或兩端具有凸緣、外傾或類似凸出體的棒的組合，如上面通過參考圖8A和8B所詳細說明的。這些棒的一端或兩端可以是平的或可以是圓形的(例如半球形的或另外的圓形的)、錐形的等。在一種示例性實施方式中，根據該公開內容的窗系統可以位于太陽能接收器的孔處且可包括一束由石英、硼硅玻璃(例如PYREX )、玻璃、或藍寶石或其它光學上能透射的材料制成的一個或多個管。在另一示例性實施方式中，窗系統可以包括一束管，其中該束的直徑顯著地大于太陽能接收器的孔，允許使用夾子機構，目的是將管的陣列捆綁成平面模塊，即，具有一般平面的光接收面。在又一示例性實施方式中，窗系統還可以包括或含有用于提供對一束管的夾固支撐的夾持設備。夾持設備可以包含金屬彈簧且可以被定位在束的較涼的外部區域。在再一示例性實施方式中，如這里所描述的窗系統可以使用管，其中一個或多個管的一端或兩端具有閉合的、例如半球形或另外的圓形的，例如，諸如在試管的閉合端中一般使用的端。本發明已經參考優選的實施方式被描述。依據閱讀和理解前面詳細的描述，對于其它例子修改和改變將發生。意圖是本發明被解釋為包括所有這些修改和改變，只要它們在所附權利要求或其等效物的范圍內。
權利要求
1.一種用于太陽能接收器的窗系統，所述太陽能接收器為具有太陽能量接收室、限定到所述太陽能量接收室的開口的太陽能量接收孔以及在所述太陽能量接收室內容納的太陽能量吸收器的類型的太陽能接收器，所述窗系統包括多個光學上能透射的構件，其由光學上能透射的材料形成；以及所述多個光學上能透射的構件連接在一起以形成束狀陣列。
2.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述光學上能透射的構件選自由細長管和細長棒組成的組。
3.根據權利要求1所述的窗系統，還包括帶夾，其緊緊地配合在所述多個光學上能透射的構件周圍以將所述多個光學上能透射的構件固定成所述束狀陣列。
4.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述光學上能透射的構件的每個是具有外圍壁、軸孔和延伸穿過所述軸孔的軸的管，且還包括所述束狀陣列具有第一光接收側和與所述第一光接收側相對的第二側；以及所述第一光接收側形成大體上垂直于所述管的軸延伸的、大體上平面的光接收面。
5.根據權利要求4所述的窗系統，其中所述管的每個具有外圍壁，所述外圍壁的橫向厚度比所述管的直徑小得多。
6.根據權利要求4所述的窗系統，其中所述大體上平面的光接收面具有比所述太陽能量接收孔的直徑大的直徑。
7.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述多個光學上能透射的構件以緊密堆積的六邊形配置方式被布置在所述束狀陣列內。
8.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述光學上能透射的構件的每個具有選自圓形和多邊形的橫截面形狀。
9.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述光學上能透射的構件的每個是具有第一端和與所述第一端相對的第二端的管，且進一步其中一個或多個所述管的所述第一端和所述第二端中的一個或兩個是圓形的、薄的、尖銳的或倒角的。
10.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述光學上能透射的構件的每個具有管狀結構且具有第一端和與所述第一端相對的第二端，且進一步其中所述第一端是開口的且所述第二端是閉合的。
11.根據權利要求10所述的窗系統，其中每個光學上能透射的構件的所述第二端是閉合的、半球形端。
12.根據權利要求1所述的窗系統，其中每個光學上能透射的構件具有第一端和與所述第一端相對的第二端，且進一步其中所述多個光學上能透射的構件的一個或多個光學上能透射的構件的所述第一端和所述第二端中的一個或兩個具有擴大的直徑部分，所述擴大的直徑部分與在所述束狀陣列中的一個或多個毗連的光學上能透射的構件接合。
13.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述多個光學上能透射的構件的每個具有大于或等于3的長度直徑比。
14.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述光學上能透射的構件的每個是具有范圍在1-2英寸的直徑的管狀結構。
15.根據權利要求1所述的窗系統，其中所述光學上能透射的材料選自由下列項組成的組石英、玻璃、硼硅玻璃、藍寶石和金屬氧化物。
16.一種太陽能接收器，包括腔；孔，其用于接收進入所述腔的光；太陽能吸收器，其設置在所述腔內；多個光學上能透射的構件，其由光學上能透射的材料形成，連接在一起以形成束狀陣列；以及所述束狀陣列被設置在所述太陽能接收器上所述孔處。
17.根據權利要求16所述的太陽能接收器，其中所述光學上能透射的構件的每個具有管狀結構，且還包括所述束狀陣列具有面向外的第一表面和面向內的第二表面，其中所述第一表面大體上是平面的且與由所述孔限定的平面對齊。
18.根據權利要求17所述的太陽能接收器，還包括所述腔包括被配置成避免被進入所述腔的太陽能量直接輻照的近側部分和具有被配置成吸收進入所述腔的太陽輻射的吸收器的遠側部分，其中在所述近側部分和所述遠側部分之間的邊界限定吸收器平面；以及所述束狀陣列在所述孔處定位成使得第一光接收表面與由所述孔限定的所述平面對齊且所述第二表面延伸至所述腔內、在由所述孔限定的所述平面與所述吸收器平面中間的一距離。
19.根據權利要求17所述的太陽能接收器，還包括所述腔包括被配置成避免被進入所述腔的太陽能量直接輻照的近側部分和具有被配置成吸收進入所述腔的太陽輻射的吸收器的遠側部分，其中在所述近側部分和所述遠側部分之間的邊界限定吸收器平面；以及所述束狀陣列在所述孔處定位成使得第一光接收表面與由所述孔限定的所述平面對齊且所述第二表面延伸至所述腔內的、與所述吸收器平面對齊或在所述吸收器平面之外的一距離。
20.一種用于制造太陽能接收器的方法，包括形成太陽能接收器，所述太陽能接收器是具有腔、用于接收進入所述腔的光的孔以及設置在所述腔內的太陽能吸收器的類型的太陽能接收器；束緊多個光學上能透射的構件以形成束狀陣列，所述多個光學上能透射的構件的每個光學上能透射的構件由光學上能透射的材料形成；以及將所述束狀陣列在所述孔處連接到所述太陽能接收器。
全文摘要
用于太陽能接收器的改進的窗系統提供對熱二次輻射的高水平阻止，同時最小化菲涅爾損失。窗系統的特征為光學上能透射的構件的束狀陣列。在其他的方面，提供使用窗系統的太陽能接收器和制造方法。
文檔編號F24J2/02GK102245977SQ200980150505
公開日2011年11月16日 申請日期2009年10月23日 優先權日2008年10月23日
發明者安妮特·P·沙賽, 肖恩·D·沙利文, 艾瑞克·W·沃爾諾格樂, 詹姆士·B·凱賽利 申請人:西南太陽能技術公司