容積式太陽能接收器的制造方法
【專利摘要】一種容器與用于加熱具有集中輻射的流體的系統，包括：外殼，在其前端具有孔；內殼，分離流入所述容器的流體與流出所述容器的流體；窗口，覆蓋所述容器的所述孔，該窗口關閉和密封所述容器的孔，對所述孔進行非金屬密封；輻射吸收器，被定位在所述容器內，并被設置為在輻射吸收器表面上吸收通過所述窗口進入所述容器的輻射。本發明涉及所述窗口和輻射吸收器的多個方面。本發明也包括用于加熱和使流體與集中的輻射發生反應的系統。
【專利說明】容積式太陽能接收器 相關專利申請
[0001] 本申請要求依據美國法典第35編第119條（35U.S.C. § 119)提出的申請日為 2011年12月18日、名稱為"Klein太陽能熱接收器"的美國臨時申請第61/577, 028號的 優先權，該申請以其整體引入在此作為參考，用于所有目的。
【技術領域】
[0002] 本發明總體上涉及一種采用集中輻射模式來加熱容納在容器中的流體的系統，尤 其是涉及具有太陽能接收器的太陽能系統。
【背景技術】
[0003] 以下出版物，在此引入作為參考，確信為表述了本發明的現有技術：
[0004] 美國專利號：5, 931，158 ;5, 947, 114 ;6, 516, 792B2。
[0005] Kribus, A. , Zaibel, R. , Carey, D. Segal, A. , Kami, J. 1998, uk solar-driven combined cycle power plant"，Solar Energy 62 (2):121-129.
[0006] Mills，D.，2004, "Advances in solar thermal electricity technology"，Solar Energy 76:19-31.
[0007] Woerner，A.，and Tamme，R.，1998，"C02reforming of methane in a solar driven volumetric receiver-reactor"Catalysis Today 46:165-174.
[0008] Berman, A. , Karn, R. K. , Epstein, M. , 2005, "Kinetics of steam reforming of methane on Ru/Al203catalysts promoted with Mn oxides"·Applied catalysis A:General 282:73-83.
[0009] Gordon，J. M. and Ries，H，1993 "Tailored edge-ray concentrators as ideal second stages for Fresnel ref lectors,?, Applied Optics 32(13):2243-2250
[0010] 本發明涉及基于輻射的能源系統，例如采用集中太陽光輻射以產生熱能、電能或 者驅動化學反應的系統。所集中的太陽光輻射能被直接或間接地用于驅動發電的渦輪機。 該能源系統的核心是將輻射轉變為可感覺的熱能的容器。這個容器通常被稱為接收器。 [0011] 本發明涉及一種太陽能接收器，通常稱為容積式太陽能接收器。在這種類型的容 器中，為了加熱的目的，可能也為了流體的化學轉化，通過使光輻射通過窗口進入該容器， 而將流入接收器的工作流體直接暴露給集中的太陽光輻射。該窗口避免工作流體與周圍環 境空氣相混合，而避免壓力的損失和/或在進入的流體中的已經獲得的熱量的損失。
[0012] 這種類型的容器的一個最受挑戰的方面是維持窗口的完整性。壓力應力、熱應力 和在窗口與直接接觸該窗口的其他材料之間的熱膨脹的差異問題都會導致該窗口出現裂 紋、斷裂或破碎。本發明的一個目的是提供一種用于窗口的定位和密封機構，它將會使在窗 口上的壓力應力最小，以及提供一種用于輻射吸收器的設計，它將會降低在窗口上的熱應 力。
[0013] 這種類型的接收器的另一個受挑戰的方面是輻射吸收器的完整性。壓力應力、熱 應力和在吸收器與直接接觸該吸收器的其他材料之間的熱膨脹的差異問題都會導致該吸 收器熔化、裂紋、斷裂、破裂或破碎。本發明的一個目標是提供對于這個問題的解決方案，通 過在吸收器的不同部分施加具有不同輻射吸收特性的不同材料來解決。
【發明內容】
[0014] 本發明尋求提供用于加熱具有集中輻射的（優選是太陽光輻射）的流體的改進的 容器。
[0015] 因此，根據本發明的一個優選【具體實施方式】，這里提供了一種用于加熱具有集中 輻射的流體的容器，該容器包括：具有孔、用于流體的入口和出口的殼體；覆蓋在殼體內的 孔的窗口，用于許可集中的輻射穿過該窗口進入所述容器；流動引導，分離從所述入口流入 所述容器的流體與從所述出口流出所述容器的流體；以及可透過的輻射吸收器。
[0016] 優選地，所述窗口是平的。
[0017] 更優選地，覆蓋所述孔的窗口是與所述窗口的中央成凹形的，在輻射接收容器的 體內深度比所述窗口的邊緣更深。更優選地，該凹形是軸對稱的以致形成球形、拋物線形、 錐形、錐帽形，上述形狀和其他可能的凹形的組合。
[0018] 優選地，所述窗口是被設置在密封件上以密封所述孔以免流體與周圍空氣相交 換。
[0019] 更優選地，所述窗口是被保持在密封件的合適位置，無需在重量、重力和摩擦力之 外的任何機制來使窗口保持在合適的位置。沒有其他材料是直接與該窗口接觸的，除了密 封件。
[0020] 優選地，所述窗口的凸緣是被主動冷卻的。
[0021] 優選地，所述窗口是被主動冷卻的。
[0022] 更優選地，所述窗口是從外部主動冷卻的。
[0023] 優選地，所述輻射吸收器具有至少兩個具有不同輻射吸收率的區域，采用不同的 吸收材料制成，或者在該輻射吸收器的輻射吸收側面涂布不同的外部涂層。
[0024] 根據本發明的不同的優選【具體實施方式】，還提供了一種用于加熱具有集中的輻射 (優選是太陽光輻射）的流體的系統。該系統包括：集中裝置，以集中來自輻射源的輻射； 容器，所集中的輻射在該容器內加熱流體；以及利用裝置（utilizer)以利用在該流體中存 儲的能量。
[0025] 優選地，所述流體包括任意的、所有的以下化合物或者這些化合物的子組：氧、氫、 甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氮、h 2o。
[0026] 更優選地，所述流體是空氣。
[0027] 優選地，所述輻射通過以下的初級光學裝置而被集中和被引導到輻射接收容器： 例如，光學透鏡、具有將太陽光輻射引導到目標的多個鏡子的定日鏡場，或者拋物柱面鏡， 或者這些光學裝置的任意組合。
[0028] 優選地，還通過次級光學裝置將來自初級光學裝置的輻射進行集中，該次級光學 裝置是定位在輻射接收容器的孔的前面或者周圍，該次級光學裝置例如：附加的透鏡、復合 拋物面聚光器、接近或近似于以下數學形狀的集中器：圓臺型集中器、裁縫邊緣光線集中 器，以及喇叭線型集中器。
[0029] 優選地，所述次級光學裝置是由水或者其他液體冷卻劑來主動冷卻的。
[0030] 優選地，所述輻射接收容器是被配置為本說明書的在第[0015]至[0023]段中描 述的內容，以便由進入的集中輻射加熱流體。
[0031] 優選地，所加熱的流體是被用于直接或間接地加熱所有或部分的流體以驅動用于 發電的渦輪機。
[0032] 更優選地，所加熱的流體是被用于直接或間接地加熱所有或部分的流體以驅動用 于發電的氣體潤輪機。
[0033] 優選地，當所加熱的來自輻射接收容器的流體不具有足夠高的溫度以經濟地或實 際地被應用于發電時，這些加熱的流體可被用于以下的加熱目的：例如，熱泵、鍋爐、吸收式 制冷機、熱水器、空間加熱器。
[0034] 更優選地，來自輻射吸收容器的流體是首先被用于驅動用于發電的渦輪機，然后 可被用于在第[0033]段描述的目的。
[0035] 根據本發明的不同的優選【具體實施方式】，還提供了一種用于加熱具有集中的輻射 (優選是太陽光輻射）的流體的系統，以提供足夠的熱能用于化學地改變該流體的組成。該 系統包括：集中裝置，以集中來自輻射源的輻射，并使所集中的輻射匯集到反應容器；反應 容器，接收所集中的輻射以加熱和化學地改變流體；以及利用裝置（utilizer)以利用在流 體中存儲的熱能和化學化合物。
[0036] 優選地，進入所述反應容器的流體包括任意的、所有的以下化合物或者這些化合 物的子組：氧、氫、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氮、H 20。
[0037] 優選地，從所述反應容器流出的流體包括任意的、所有的以下化合物或者這些化 合物的子組：氧、氫、甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氮、H 20。
[0038] 優選地，所述輻射通過以下的初級光學裝置而被集中和被引導到輻射接收容器： 例如，光學透鏡、具有將太陽光輻射引導到目標的多個鏡子的定日鏡場，或者拋物柱面鏡， 或者這些光學裝置的任意組合。
[0039] 優選地，還通過次級光學裝置將來自初級光學裝置的輻射進行集中，該次級光學 裝置是定位在輻射接收容器的孔的前面或者周圍，該次級光學裝置例如：附加的透鏡、復合 拋物面聚光器、接近或近似于以下數學形狀的集中器：圓臺型集中器、裁縫邊緣光線集中 器，以及喇叭線型集中器。
[0040] 優選地，所述次級光學裝置是由水或者其他液體冷卻劑來主動冷卻的。
[0041] 優選地，采用即熱和化學改變具有集中輻射（優選是太陽光輻射）的流體的反應 容器。
[0042] 優選地，這個反應容器是這樣的容器，它包括：具有孔、用于流體的入口和出口的 殼體；覆蓋在殼體內的孔的窗口，用于許可集中的輻射穿過該窗口進入所述容器；流動引 導，分離從所述入口流入所述容器的流體與從所述出口流出所述容器的流體；以及可透過 的輻射吸收器。
[0043] 優選地，在第[0042]段中所述的反應容器中的窗口是平的。
[0044] 更優選地，覆蓋在第[0042]段中所述的反應容器的所述孔的窗口是與所述窗口 的中央成凹形的，在輻射接收容器的體內深度比所述窗口的邊緣更深。更優選地，該凹形是 軸對稱的以致形成球形、拋物線形、錐形、錐帽形，上述形狀和其他可能的凹形的組合。
[0045] 優選地，所述窗口是被設置在密封件上以密封所述孔以密封在第[0042]段中所 述的反應容器的所述孔，避免流體與周圍空氣相交換。
[0046] 更優選地，在第[0042]段中所述的反應容器的所述窗口是被保持在密封件的合 適位置，無需在重量、重力和摩擦力之外的任何機制來使窗口保持在合適的位置。
[0047] 優選地，在第[0042]段中所述的反應容器的所述窗口的凸緣是被主動冷卻的。
[0048] 優選地，在第[0042]段中所述的反應容器的所述窗口是被主動冷卻的。
[0049] 更優選地，在第[0042]段中所述的反應容器的所述窗口是從外部主動冷卻的。
[0050] 優選地，在第[0042]段中所述的反應容器的輻射吸收器是能夠吸收所集中的輻 射并將熱量傳遞到流體。
[0051] 更優選地，在第[0042]段中所述的反應容器的輻射吸收器具有至少兩個具有不 同輻射吸收率的區域，采用不同的吸收材料制成，或者在該輻射吸收器的輻射吸收側面涂 布不同的外部涂層。
[0052] 優選地，在第[0042]段中所述的反應容器是裝備有高的表面區域，由催化劑材料 所覆蓋，以能夠化學地改變在所述容器內的流體。
[0053] 更優選地，具有催化劑材料的所述高的表面區域是與輻射吸收表面相整合的。
[0054] 優選地，排出在第[0042]段中所述的反應容器的加熱的流體是被用于預加熱進 入在第[0042]段中所述的反應容器的流體。
[0055] 優選地，流出所述反應容器的流體是被用于進行化學反應：例如，流體的燃燒，以 及流體轉變為液體燃料。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0056] 本發明將通過以下的描述來更充分地得到理解和說明，參考以下的附圖：
[0057] 圖1是簡化的部分方塊示意圖，部分地顯示了根據本發明的一個優選具體實施方 式所構建和操作的用于加熱在容器中具有集中輻射的流體的系統；以及
[0058] 圖2是在圖1中所示的容器的區域A的放大視圖。
[0059] 圖3是在圖1中所示的輻射吸收表面127的示意圖。
【具體實施方式】
[0060] 現在參考圖1，該圖顯示了根據本發明的一個優選【具體實施方式】所構建和操作的 用于加熱具有集中的太陽光輻射的流體的容器。
[0061] 正如圖1所示，本發明提供了用于加熱具有集中輻射的流體的系統100,該系統包 括：流體供應源102。流體的例子包括：氧氣、氮氣、二氧化碳、一氧化碳、氫、氣態烴類、水蒸 氣或上述流體的組合。
[0062] 輻射接收容器120,例如在除了上述美國專利US 5, 931，158、US5, 947, 114和US 6, 516, 792B2(這些美國專利所披露的內容在此引入作為參考）之外所述的容器，接收來自 流體供應源102的流體，優選地在1-200巴的壓力下接收流體，更優選是約1. 5-10巴。
[0063] 優選地，在輻射撞擊在所述輻射接收容器120上之前，該輻射被高度集中。
[0064] 優選地，所述高度集中的輻射是來源于太陽。
[0065] 優選地，太陽光輻射的集中是通過將進入的太陽光輻射引導穿過集中器125 來提供的。集中器125可具有多種可能的構造，例如在上述出版物所描述的結構，但 不限于這些出版物：Kribus，A.，Zaibel, R·，Carey, D. Segal, A.，Karni，J. 1998，"A solar-driven combined cycle power plant，'，Solar Energy 62 (2) : 121-129, and Mills, D. , 2004, "Advances in solar thermal electricity technology"，Solar Energy 76:19-31，這些文獻出版物在此引入作為參考。定日鏡場和拋物面聚光器是適合 作為集中器125的更優選的初級集中器。該集中器125可由兩種初級和次級光學元件組 成，但不限于此，例如在上述出版物所描述的結構，但不限于這些出版物：Gordon，J. M. and Ries, H, 1993"Tailored edge-ray concentrators as ideal second stages for Fresnel reflectors", Applied Optics 32(13) :2243-2250,該文獻出版物在此引入作為參考。復合 拋物面聚光器和圓錐形是更為優選的作為集中器125的次級光學設備。集中器125的輸出 是被引導通過輻射接收容器120的窗口 126以致使輻射撞擊在輻射吸收表面127上，該輻 射吸收表面127是定位在可透過的傳熱壁128上。優選地，窗口 126是由石英制成，可具有 任意合適的形狀例如平的或者曲線的形狀。具有凹形窗口的太陽能反應器，例如子啊上述 美國專利US 5, 931，158和US 6, 516, 794中所述的反應器，可被適用于這個目的。正如這 里所采用的，在說明書或者權利要求書中，術語"凹形"是指所有的形狀，該形狀的中央是在 容器120的內部比在相同形狀的周邊的深度更深。
[0066] 優選地，窗口 126是被設置在密封件140上，正如圖2所示，窗口 126是被保持在 密封件140的合適位置上，被設置在孔開放表面142,僅通過作為在窗口 126的重量上的重 力以及在窗口 142、密封件140和孔開放表面142之間的摩擦力來密封。優選地，該窗口僅 是直接接觸所述密封件，而無需其他裝置。如果該容器是在壓力下進行操作，壓在該容器內 部的壓力協助將該窗口固定在合適位置并密封所述孔144,通過迫使窗口 126朝向孔開放 表面142。本領域所知，在所述窗口與的支持裝置之間的熱膨脹性差異與熱應力會導致窗口 破裂，類似于容器的破裂。
[0067] 所述可透過的傳熱壁128是優選地由以下制成：碳化硅、氮化硅，或者金屬絲網或 其他金屬的高表面區域構造。
[0068] 所述可透過的傳熱壁128可在表面127上應用任何合適的催化劑，如果系統 100的目標不僅是加熱來自流體供應源102的流體，而且是與流體反應的話。對于高溫 反應，最優選的催化劑是釕和銠。稍微差一些的優選催化劑是銥，更差一些的優選催化 劑是鎳、鉬和鈀。這些催化劑是優選地被應用在著色涂層上面，該涂層是被沉積在高度 多孔的支持結構上，例如陶瓷矩陣，優選地是由碳化硅或氮化硅形成的，正如在上述出 版物所描述的，但不限于這些出版物：Woerner，A.，and Tamme，R.，1998, "C02reforming of methane in a solar driven volumetric receiver-reactor，'Catalysis Today 46:165-174, Berman, A. , Karn, R. K. , Epstein, M. , 2005, "Kinetics of steam reforming of methane on Ru/Al203catalysts promoted with Mn oxides"，Applied catalysis A:General 282:73-83, and US 5, 431，855,這些出版物所披露的內容在此引入作為參考。 所述可透過的傳熱壁128也可由氮化硅構成，或者金屬絲網或其他金屬的高表面區域構 成，并涂布油適合用于期望的反應的催化劑。正如這里所用的，在說明書或者在權利要求 書中，術語"碳化硅"是指所有化合物、涂層或其他包含任意碳化硅（SiC)或者碳化硅化硅 (SiSiC)的其他涂層或材料。正如這里所用的，在說明書或者在權利要求書中，術語"氧化 鋁"是指所有化合物、涂層或其他包含任意氧化鋁（A1203)的其他涂層或材料。正如這里所 用的，在說明書或者在權利要求書中，術語"氮化硅"是指所有化合物、涂層或其他包含任意 氮化硅（Si3N 4)的其他涂層或材料。
[0069] 所述可透過的傳熱壁128可由集中不同的材料組成，這些材料具有不同的軸對稱 區域，正如圖3所示。在每個區域的材料是根據期望撞擊在上面的集中輻射來選擇的。區 域I，如圖3所示，可接收最低輻射的流體，因此可具有所有區域中最高的輻射吸收率。區 域II，如圖3所示，可接收最高輻射的流體，優選地具有低的輻射吸收率以避免對可透過的 傳熱壁128過度加熱和/或對作為可透過的傳熱壁128的高溫的后續的窗口 126的過度加 熱。優選地，區域II的形狀是高度凹形的，以避免來自表面127或128的反射的輻射穿過 窗口 126而離開接收器。在這樣的例子中，區域II可以在外部區域比內部或中央區域更為 接近于所述窗口。
[0070] 來自流體供應源102的流體通過供應管121被供應到容器120,優選地是被引導 為撞擊在可透過的傳熱壁128的表面127上。在一個優選【具體實施方式】中，導管121延伸 進入反應器120,并進入接近于所述可透過的傳熱壁128的表面127的地方。可替代地，導 管121不需要延伸進入容器120,而來自流體供應源102的流體通過供應管121被供應到容 器120,該流體可被引導為通過另一種合適的方式來撞擊在可透過的傳熱壁128的表面127 上。
[0071] 根據本發明的一個優選【具體實施方式】，窗口 126可被冷卻，通過冷卻液體的流動 來冷卻，例如從噴嘴130將加壓的空氣噴擊在窗口 126的外表面132上。該冷卻的操作避 免該窗口被在窗口內部吸收的輻射過度加熱。此外，窗口 126的冷卻可避免或減少在窗口 126的內表面134上的冷凝，最終減少它對于進入太陽光輻射的透明度，繼而減少對于窗口 126的過度加熱。
[0072] 需要明確的是，對于本領域技術人員來說，本發明并不限于在上述描述或者顯示 中所特別說明的內容。本發明的保護范圍包括本發明的多種特征以及它們的改變的組合和 子組合，本領域技術人員在閱讀前述的說明后都能理解這些內容，它們不屬于現有技術。
【權利要求】
1. 一種容器，包括： 外殼，具有前端和后端，在所述前端具有孔； 內殼，分離流入所述容器的流體與流出所述容器的流體； 窗口，覆蓋所述容器的所述孔； 輻射吸收器，被定位在所述容器內，并被設置為在輻射吸收器表面上吸收通過所述窗 口進入所述容器的輻射，所述輻射吸收表面包括至少兩個各自在所述吸收器面對所述窗口 的側面上的具有不同輻射吸收系數的區域； 流體入口和流體出口，分別設置在所述外殼上，流體從所述流體入口注入或者從流體 出口排出，使得流體與所述輻射吸收器相互作用。
2. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：所述窗口是平的。
3. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：所述窗口是圓錐形的。
4. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：所述窗口是相對于所述容器成凹形的。
5. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器包括產生輻射吸收率差 異的涂層。
6. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面在所述吸收器的周 邊的輻射吸收率是高于在所述吸收器的中央的輻射吸收率。
7. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：具有較低輻射吸收率的所述輻射吸收器 表面具有從它的內部區域到窗口的距離大于從它的外部區域到窗口的距離。
8. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面的外部區域是由碳 化硅制成，所述輻射吸收器表面的內部區域是由氧化鋁制成。
9. 根據權利要求1所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面的外部區域是由氮 化硅制成，所述輻射吸收器表面的內部區域是由氧化鋁制成。
10. -種容器，包括： 外殼，具有前端和后端，在所述前端具有孔； 內殼，分離流入所述容器的流體與流出所述容器的流體； 窗口，覆蓋所述容器的所述孔，所述窗口關閉和密封所述容器的孔，通過僅與密封件接 觸的方式對所述孔進行非金屬密封； 輻射吸收器，被定位在所述容器內，并被設置為在輻射吸收器表面上吸收通過所述窗 口進入所述容器的輻射； 流體入口和流體出口，分別設置在所述外殼上，流體從所述流體入口注入或者從流體 出口排出，使得流體與所述輻射吸收器相互作用。
11. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述窗口是平的。
12. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述窗口是相對于所述容器成凹形的。
13. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面是由碳化硅制成。
14. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面是由氮化硅制成。
15. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面是由氧化鋁制成。
16. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器包括至少一種具有高 輻射吸收率的材料以及至少一種具有低輻射吸收率的材料。
17. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面在所述吸收器的 周邊的輻射吸收率是高于在所述吸收器的中央的輻射吸收率。
18. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：具有較低輻射吸收率的所述輻射吸收 器表面具有從它的內部區域到窗口的距離大于從它的外部區域到窗口的距離。
19. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面的外部區域是由 碳化硅制成，所述輻射吸收器表面的內部區域是由氧化鋁制成。
20. 根據權利要求10所述的容器，其特征在于：所述輻射吸收器表面的外部區域是由 氮化硅制成，所述輻射吸收器表面的內部區域是由氧化鋁制成。
【文檔編號】F24J2/07GK104114958SQ201280069895
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2012年12月13日 優先權日:2011年12月18日
【發明者】漢納·H·克萊因, 希蒙·克萊因 申請人:漢納·H·克萊因, 希蒙·克萊因