用于太阳能的生产和积聚的模块化组件.pdf

一种用于太阳能的生产和积聚的模块化组件，包括用于熔盐的积聚的箱体、用于捕获太阳光线的反射主体、管状收集器、输送环路和返回环路，该管状收集器面向抛物线状主体，并且在使用中由反射主体发送的太阳光线照射在该管状收集器上，输送环路和返回环路一方面与箱体连通，另一方面与收集器连通从而通过收集器供应熔盐；积聚箱体设置在收集器的下面，输送环路和返回环路设置为能够通过熔盐的重力而卸载到积聚箱体中。

1.  一种用于太阳能的生产和积聚的模块化组件，包括：用于熔盐的积聚的箱体、用于捕获太阳光线的反射主体、管状收集器、输送环路和返回环路，所述管状收集器面向所述抛物线状主体，并且在使用中由所述反射主体发送的太阳光线照射在该管状收集器上，所述输送环路和返回环路一方面与所述箱体连通，另一方面与所述收集器连通从而通过所述收集器供应所述熔盐，所述组件的特征在于，所述积聚箱体设置在所述收集器的下面的位置上，并且特征在于，所述输送环路和返回环路设置为能够通过所述熔盐的重力而卸载到所述积聚箱体中。

2.  根据权利要求1所述的模块化组件，其特征在于，它包括用于转化所述熔盐具有的热能的装置，该装置与所述积聚箱体并排设置。

3.  根据权利要求2所述的组件，其特征在于，它包括外部壳体，该外部壳体用于容置、支撑以及运输；所述壳体容置至少所述箱体、所述反射主体、所述环路以及所述转化装置，所述箱体用于熔盐的积聚。

4.  根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述外部壳体还容置可折叠的结构，该结构用于支撑所述反射主体。

5.  根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述反射主体和所述运送环路的至少部分相对彼此固定，并且连接至所述结构以绕铰链轴线旋转。

6.  根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述运送环路的至少部分牢固地固定至所述支撑结构，并且特征在于，所述反射主体连接至所述结构，从而相对于所述运送环路的所述部分绕铰链轴线旋转。

7.  根据前述的权利要求的任意一项所述的组件，其特征在于，所述外部壳体还容置用于加热所述熔盐的装置。

8.  一种用于太阳能的生产和积聚的设备，其特征在于，它包括至少一对用于太阳能的生产和积聚的模块化组件，所述模块化组件彼此独立，如权利要求1所述；所述组件平行地相互连接。

用于太阳能的生产和积聚的模块化组件
技术领域
本发明涉及一种用于太阳能的生产和积聚的模块化组件。
背景技术
在与伴随能量需求(power demand)的生产不一致时，由可再生能源来生产电能常常具有使用的限制(例如风力发电机、光电池以及没有积聚装置的热太阳能系统)。
由可再生能源积聚能量的可能性，以在需要时被使用，常常是有用的，并且有时是不可缺少的：当电网中存在可获得的能量时，水被泵入水电站的湖中，从而积聚能量。
在电网不能达到的隔离的系统中，该系统用作飞轮，没有积聚装置就难以使用可再生能源。
在可再生能源的领域中，特别是为了使用太阳能来加热流体，已知的是采用这样的设备，其中大量熔盐被供应至管子或者管道中，该管子或者管道设置在多个抛物线状主体的焦点位置，该多个抛物线状主体被定向以被太阳光线照射到并且通过环路顺序地彼此连接，该环路至少部分地在地面上延伸。加热的熔盐接着被传送至热交换器，热交换器使熔盐所具有的热能能够用于不同的用途。
已知的上述类型的设备，即使它们被采用，也证明它们是远远不令人满意的，这是因为它们复杂、昂贵，但是最重要的是，它们将所生产的部分能量用于在熔盐的循环过程中的处理和保持。实际上，考虑到盐具有200℃附近的固化温度并且由于已知的设备不能卸载，当从抛物线状主体传递到流体的热量不能达到所述温度时，熔盐必须保持在系统中循环并且被加热。这使得需要泵送组件和加热单元沿熔盐本身的位移路径分布在设备中，并且需要精确且连续地监测所述设备本身，这不可避免地造成相对高的成本，该成本包括生产成本以及功能成本。
另外，在市场上已有的或者正在开发的太阳能系统，设计并且制造为使得效率(生产的电千瓦(electrical kilowatts)/能够从太阳接收的热千瓦(thermal kilowatts))最大化。使用当前采用的解决方案，存储能量变得昂贵，并且供应的可获得性常常与需求不同时发生。
当前存在的用于由太阳生产能量的系统，在高温和低温下，都在接近操作温度的温度下进行积聚。在具有750℃的集中器的斯特林系统(Stirling system)(具有高至30％的高效率)中，除非使用非常昂贵的电池，否则不可能存储能量。
阿基米德方案(Archimedes′project)本身具有几个小时的积聚能力，并且对于离开原位的设备、对于低功率来说受到限制，阿基米德方案通过大量熔盐在550℃下积聚能量，因此能够产生530-550℃的特定稳定气流，该气流进入涡轮机并且非常适于与传统的发电站结合。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于太阳能的生产和积聚的模块化组件，其能够以简单并且经济上有利的方式解决上述的问题，特别地，该模块化组件被证明是：可简单地且便宜地生产、具有有限的(contained)总尺寸、方便运输并且适合于各种能量需求。
根据本发明，提供了一种如权利要求1所限定的用于太阳能的生产和积聚的模块化组件。
附图说明
现将参考附图来描述本发明，该附图显示了本发明的实施方式的非限制性实例，其中：
图1是用于太阳能的生产和积聚的模块化设备的立体图，其具有两个或者更多模块化组件，该模块化组件根据本发明的叙述制成；
图2放大地显示了图1的多个模块化组件中的一个模块化组件；
图3与图2相似，并且显示了图2的细节的一种变体；
图4至7显示了图1的模块化组件的一系列组装步骤；以及
图8显示了图1的设备的三种不同维度的视图。
具体实施方式
在图1中，附图标记1表示，作为一个整体的，用于太阳能的生产和积聚的模块化设备。
设备1包括两个或者更多模块化组件2，其彼此独立并且彼此并排设置。每个模块化组件2能够独立于其它组件而生产和积聚太阳能，每个模块化组件2容置在它自己的容器3中，容器3用于模块化组件2的运输和支撑，在图1至7中容器3部分地以打开的状态显示，并且每个模块化组件2包括它自己的支撑结构5，该支撑结构5方便地由钢铁结构工件制成，该结构工件具有机械可移式刚性联轴器(fast-coupling)组件系统。
结构5支撑抛物线状镜面主体6，该抛物线状镜面主体6由玻璃材料制成，该玻璃材料具有厚度为0.85mm的镜像部分(mirrored part)的玻璃，并且具有也是玻璃制成的厚度为4-6mm的下层部分，这两个部分通过商业粘结剂彼此联接。该下层部分也能够由其它塑料材料、橡胶、铁材料或者铝或者复合材料制成。该镜像部分还可以具有另一种性质、弯曲的且镜像的玻璃或者抛光的金属。
抛物线状主体6设想为由6400mm的抛物线在一个平面内生成，其具有大约为70m²的投射(projection)总表面。抛物线状主体将太阳光线发送到管状收集器7或者运送管上，管状收集器7或者运送管以已知的方式设置于抛物线状主体的焦点处，并且在使用中被热矢量流体(thermovector fluid)所通过。
抛物线状主体6在电动机减速器8推动下相对于结构5是可移动的，电动机减速器8被控制以跟踪太阳能。电子光电池系统与电动机减速器8是一体的，用于寻找太阳能的最佳状态。
在图1和图2所示的实施方式中，电动机减速器8控制抛物线状主体/管状收集器整体的旋转，该旋转相对于结构5的圆柱形支撑件并且绕容器3的平行于管状收集器7的纵向轴线，在图1和图2中可见。
选择性地，根据图3所显示，管状收集器7固定在结构5上，并且抛物线状主体6绕焦点旋转，管状收集器7定位固定在该焦点上。
再次参考图1至图7，每个模块化组件2还包括它自己的箱体10，用于热矢量流体的积聚。如图1至图7所示，积聚箱体10设置在容器3的内部并且与容器3的基座3a接触，并且积聚箱体10通过第一输送支路11连接至管状收集器7的入口并且通过返回支路12连接至管状收集器7本身的出口。输送支路11和返回支路12，与所述收集器一起，限定用于运送热矢量流体的开放环路13。
模块化组件2将加热至550℃-600℃的熔盐混合物作为热矢量流体使用。硝酸钠和硝酸钾盐(例如：60％NaNO₃-40％KNO₃)便于被用作混合物，与通常使用的所有其它热矢量相比，硝酸钠和硝酸钾盐能够使在高温下的积聚具有稳定性和高功率，同时具有低成本和非常低的危害水平以及更低的环境影响。
每个模块化组件2的积聚箱体10依照积聚至少3天的日照的能量的尺寸制造，在10kWe其表示使用3-kWe的涡轮机/交流发电机连续运行3天而得到的3天产量。
尺寸的选择开始于：设想的最小温度跳跃(550℃-280℃＝270℃)乘以盐的热值乘以体积乘以比重，而获得在三天中生产的千卡。所获得的体积大约是6m³。使用涡轮机的运行和盐的熔化温度的最小限度，能够使用的热跳跃甚至可以是550℃-180℃＝370℃。
6m³的箱体10定位在容器的中心，并且具有大约为1200mm的直径和6m的长度，其使用绝缘支撑件支撑在容器3的内部，并且被合适的矿毛绝缘纤维和/或平均厚度大于300mm的其它适当绝缘的材料完全围绕。箱体10能够配备有一个或者更多热交换器，一个或者更多热交换器用于涡轮机、用于热栅格和辅助服务。
在下面，由不锈钢或者能够承受熔盐的温度和侵蚀的材料制成的箱体10不被加压，但是具有用于起动的外部通风口，为了补偿可能的变化，箱体10具有电或者气体加热系统。气缸也容置在容器3内部。
设置在箱体10下面的用于起动的气体燃烧器系统是简单的并且能够易于与气缸独立分开，该气缸设置在容器3的平板上。
再次参考图1至图7，与熔盐的箱体10并排设置的是：有机循环涡轮机15，有机循环涡轮机15具有各种供给功率以及各种叶轮系统，其使熔盐的热量在操作中对叶轮进行设置。连接至交流发电机的叶轮生产电能。
从在内部封闭有相应的模块化组件的所有部件的容器3的状态开始，所述组件本身能够以下面的方式放置在一起：
从图4可以看出，将侧壁3b置于与底壁3a共面的位置，打开容器3；其后从图5可以看出，打开设置在折叠位置的结构5，以形成两个侧面的直立部分5a。此时，渐渐形成抛物线状主体6以及收集器7，同样从图5可以看出，抛物线状主体6的组成部件也容置在容器3内，收集器7通过输送支路11和返回支路12连接至箱体10。
从以上描述可以明显地得出，甚至对于3至240kWe的小型发电设备来说，上述模块化组件2是如何能够以经济上有利的方式积聚来自太阳的热能的，并且上述模块化组件2能够在需要时甚至全年中一天24小时都是可利用的，且具有合适的系统尺寸。
另外，上述组件2捕获并且积聚太阳能以生产电能和/或净化的水和/或热水和/或冷水、生产和/或重复远程无线电信号，组件2大体上用于非常广泛的使用范围，并且用于隔离且远程的情况，甚至全年每天24小时不需要任何燃料供给。前述内容能够基本上归因于使用了紧凑的系统，用于在高温下接收和积聚太阳热量，同时涡轮机/交流发电机系统生产电能，涡轮机/交流发电机系统通过不同类型的低温兰金循环(例如，入口温度在180-300℃之间并且在热交换器处的出口温度低于140℃)驱动，这使得能够以恒定的方式或者当需要时生产电能。现有的不同类型的涡轮机有：轴向涡轮机、径向涡轮机、螺旋式涡轮机等，其使用有机液体作为膨胀流体。根据所使用的系统，电效率在10％和25％之间；所述系统还可获得低温剩余热(在大约130℃和60℃之间)，以用于加热、净化、脱盐、冷冻等工艺，这添加了常常比通过系统生产电能的经济价值更大的经济价值。
另外，模块化组件2使得生产模块化设备成为可能，其中每个模块是独立于其它模块的元件，但是根据构造，每个模块能够连接至其它模块，这能够得到无限的解决方案，根据安装的涡轮机/交流发电机系统，电功率为每模块/容器3kW或10kW的倍数，或者当多个模块化组件组合在一起时为60kW或120kW的倍数。
模块性和可运输性使得能够设置小的局部电网，其通过太阳供给，该电网适合于所使用的负载。
以这种方式，每个模块化组件2在两个可能的功率之间依照安装在标准容器上的最大热容量的尺寸制造，该两个可能的功率根据是希望获得24小时的连续操作还是希望获得更短的时间段(例如，大约三分之一天)上的更大功率来确定。所有模块化组件依照标准准则来制造，从而能够使用系统达到大规模生产的低成本，该系统用于处理在市场上已经可以获得的传统容器。
方便地，抛物线状主体6具有大约六米的孔径(aperture)以及十二米的长度以优化所述容器的模块性，并且因此具有大约70m²的太阳捕获表面。当然，根据所使用的容器的类型模块的其它尺寸也是可能的。在我们的纬度上在最优环境中，以平均的日照时间，太阳在地球表面上的生产量能够为大约1000cal/m²。每个模块化组件平均为大约0.7kWte/m²，也就是，每个模块化组件大约50kWte(～70m²)。
当每天可利用的并且有效的小时平均超过8-10个小时的时候计算这个生产量，模块化组件能够生产400-500kWte/天。在理想阳光状态下积聚的能量能够全天(24小时)都是可利用的，大约15-20kWte/h。通过效率为17％的涡轮机/交流发电机系统，我们能获得超过24小时的恒定功率，电能等于～2.5-3.5kWh，因此，模块的设想的最小尺寸选为3kW。在较差(less favourite)的阳光状态和位置，或者较低平均能量需求的状态下，对于最大的3kW，就必须或者添加至少一个基本组件(接收/积聚组件)或者将所述组件与设想的涡轮机/交流发电机组件连接。所述系统的模块性导致能够获得无限的解决方案，其对不同位置和用途都是可行的。实际上，这种模块性使得能够根据需要添加模块化组件直到满足使用者的需求。特别地，在最小功率配置下，通过平行地设置多个模块化组件，将容易地建造局部网络，其能够优化消耗水平和成本。从而，所提供的局部电网能够通过智能地开启和关闭而适应所需要的负载来处理电负载，同时保持高效率、优化积聚和生产量。抛物线状主体6的运动跟踪系统通过将容器的结构用作基座和支撑件来建造，从而获得在金属结构、包装、运输、土木工程的本地工作以及组装方面相当大的费用节省。图3所示的解决方案，也就是具有固定的收集器，这使得连接能够更短、易于分离、更低、更易于维护，并且能够在用于镜面的两个放置点上旋转。替代地，将主体/收集器组件旋转360°能够抵抗200km/h的风。在容器3中，还可容置用于热交换、水的净化和脱盐的系统、无线电(radio electric)系统以及各种辅助系统。
从前述内容中清楚地可见，所述模块化组件2除了易于运输、安装和起动之外，还如何被证明是紧凑的，经济上有利的，并且能够在生产和积聚之间根据附近情况容易地运行。不但如此，模块化组件2的生产还具有特殊的模块性，特别地，运送环路13相对于积聚箱体10的相对位置，使得当泵(已知的并且在附图中不可见)停止时，易于方便地且即时地通过重力将环路13清空，该泵用于使熔盐在管状收集器7中循环。因此，设想前述泵在温度高于熔盐的固化极限温度时停止(arrest)的情况下，甚至在通过辐射获得的热量不充足情况下，环路13会自发地将其自身清空至下面的箱体10中而不需要操作者的介入，从而解决了与需要加热熔盐以及使它们保持循环有关的已知解决方案的所有问题并且降低了成本。
根据一个变体(未示出)，当阳光较少时，每个模块化组件2能够横向倾斜一个可变的角度，该角度不大于20°，以改进几个月内的效率，并且有助于从环路中清空所述熔盐。