[发明专利]住宅太阳热能设备

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是Charles L.Bennett于2004年4月30日提交的在先申请No.10/835,665的部分继续申请，该在先申请在此通过引用被并入本文。

联邦资助研发项目的声明

根据美国能源部与加利福尼亚州立大学之间针对劳伦斯利福摩尔国家实验室操作的合同No.W-7405-ENG-48，美国政府对本发明具有权利。

技术领域

本发明涉及太阳热能系统。具体而言，本发明涉及高效的住宅太阳热能收集、存储和应用系统，所述系统具有：能旋转地安装在例如为住宅屋顶的优选固定结构上的抛物面槽式太阳聚光器；和共轴定位的用于从聚光器接收聚集的阳光的管状集热器，其中聚光器和集热器的形状和方位被设置为使阳光收集效率和传输到热动力发动机的热能最大化，以优化机械能和电能的产生。

背景技术

尽管太阳能商业可行性尝试已持续一个世纪，但太阳能目前在总能量供应中占有的比例微不足道。这主要是由于现有太阳能集热器、聚光器的性能和成本的低效以及与热存储介质的连接装置，这已经妨碍其广泛采用和使用于商用和住宅应用。例如，在南加利福尼亚的太阳能发电系统(SEGS)设备代表当今在聚集太阳能(CSP)中运用的现有技术状态。基于现有SEGS设备的经验，来自使用目前可用技术新构建的设备的电力成本大约为10￠/kWh。这种成本比通过燃煤发电的大约3￠/kWh的成本高得多。

各种太阳能集热器和聚光器以及与热存储介质和热机的连接装置已知用于太阳热电能系统，例如SEGS设备中。几个示例包括：Nilsson的美国专利4,586,334和Mehos的美国专利6,487,859。Nilsson专利公开：“......太阳能发电系统包括用于收集和聚集太阳能的装置；储热装置；用于产生动力的斯特灵发动机装置”，和“......用于收集和聚集太阳能的所述装置是反射盘；传热装置包括第一和第二热管；所述储热装置优选地为相变介质......”。Mehos专利公开：“......用于盘/斯特灵系统的钠热管接收器”，而且引用文献中证明：“温度高至790℃的钠蒸气”。此外，美国专利4,125,122公开从太阳聚光器接收能量的热管，美国专利6700054B2尤其描述了与斯特灵发动机的连接，美国专利4088120描述了抛物面槽具有在焦点处连接到热存储介质的热管。美国专利787,145描述了椭圆形盘镜，其被定位成跟踪太阳，并具有加热器以在镜的焦点产生蒸汽。美国专利3,982,526描述了用于使太阳能集热器围绕极轴转动的装置，美国专利6,886,339B2描述了具有太阳跟踪系统的抛物面槽式太阳聚光器。美国专利4,205,657描述了具有蒸汽产生系统的抛物面槽式太阳聚光器。美国专利4,108,154描述了具有挡风罩的抛物面槽式太阳能集热器。

不过，目前可用的太阳能集热器/聚光器的一个具体局限为它们相对较低的热聚集效率，该效率为由集热元件传输的热相对于入射到聚集镜表面区域上的阳光热的比。基于最近的现场测量，最佳的可用集热器(例如，从来自Schott的Solel或PTR 70集热器的UVAC集热器，其使用被热至400℃的油类传热流体)在800W/m2阳光入射的情况下实现的热聚集效率最大值仅为50％。在更高或更低的阳光辐射水平下，热效率甚至更低。这种效率较低，主要是由于这些集热器的阳光聚集系数相对较低。例如，在SEGS设备的发电中，集热元件中的吸收表面的直径为7cm，而抛物面槽孔的宽度为5.77m，则聚光器孔面积与集热器吸收面积的比，即阳光聚集系数，仅为26。与抛物面槽式集热器的相对较低的聚集系数相关的另一局限在于集热器轴向长度相对于聚光器孔宽度相当大。在DISS情况下，长宽比例如为46。

作为现有技术中抛物面槽式集热器的特征的另一效率损失系数与其水平配置相关。对于整天和整年的阳光入射角范围取平均，导致87％的平均几何透视收缩系数。

由于已知从阳光辐射转化为动力的效率对电力成本具有巨大影响，因而有利的是，在住宅/商用单元环境中提供高效太阳热能系统用于太阳热能的经济利用，从而克服当前太阳能技术在降低能量成本上的局限。特别地，能够将抛物面槽式集热器的阳光聚集系数增加至超过大约160并将平均几何透视收缩系数提高至大于大约90％的设备和方法，将特别有利于基本上提高这种太阳热能设备的热聚集效率。

发明内容