專利名稱：用于太陽(yáng)能吸收板的橫截面可變的薄壁集流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集流器(header)設(shè)計(jì)，更具體地說(shuō)，涉及用來(lái) 分布和匯集太陽(yáng)能吸收板的太陽(yáng)能吸收管的集流器設(shè)計(jì)，所述太陽(yáng)能 吸收管屬于太陽(yáng)能中央收集器，通常具有熔融的鹽，但是也可以采用 其他高溫轉(zhuǎn)移流體。
背景技術(shù)：
橫截面不變的薄壁柱狀集流器以前已經(jīng)用在太陽(yáng)能吸收管的熔融 鹽接收面板中，太陽(yáng)能吸收管借助機(jī)加工襯套和管嘴連接到所述集流 器，這些襯套和管嘴接下來(lái)焊接到所述柱狀集流器。有時(shí)直接從所述 柱狀集流器擠壓出所述管嘴。這些實(shí)施例可見(jiàn)于美國(guó)專利 US6，736，134B2或其PCT申請(qǐng)WO03/021159A2版本中。
這種結(jié)構(gòu)中的一些使得接合集流器主體與太陽(yáng)能吸收管的接合區(qū) 域承受較高的熱應(yīng)變，特別是在鹽流速較低的集流器側(cè)部區(qū)域。這種 熱應(yīng)變是由于流經(jīng)所述集流器的熔融鹽集群通過(guò)太陽(yáng)能電廠的定日鏡 場(chǎng)而引起的溫度快速變化所導(dǎo)致的。可以通過(guò)在將所述太陽(yáng)能吸收管 接合到所述集流器的接合管嘴中放置套筒或其他熱保護(hù)件來(lái)減小這種 源于溫度突變的應(yīng)變。但是，這種熱保護(hù)件具有難于生產(chǎn)且難于裝配 的幾何形狀，這樣將提高生產(chǎn)和檢測(cè)難度，并且使得這些過(guò)程代價(jià)高 昂。如果沒(méi)有這些保護(hù)件，則設(shè)備的使用壽命將極其短暫。
另一方面，柱狀集流器要求最小的橫截面通流面積，以便以最小 的壓力損失將鹽流或轉(zhuǎn)移流體流均勻分布到連接所述集流器的全部太 陽(yáng)能吸收管中。但是，眾所周知，在整個(gè)集流器中，鹽流或轉(zhuǎn)移流體 流并不均勻，并且這種可變流動(dòng)分布取決于集流器上所述管或者饋送 管連接部的結(jié)構(gòu)或者分布鹽或轉(zhuǎn)移流體的太陽(yáng)能吸收管的結(jié)構(gòu)。
橫截面不變的柱狀集流器基本上在中部進(jìn)行饋送，隨著流體經(jīng)過(guò) 連接在集流器中部的太陽(yáng)能吸收管進(jìn)行分布，轉(zhuǎn)移流體的流速在其側(cè) 部區(qū)域大幅降低，這在太陽(yáng)能吸收管與集流器側(cè)部連接的同時(shí)，導(dǎo)致
在接合管嘴中產(chǎn)生嚴(yán)重預(yù)過(guò)渡(pre-transient)熱應(yīng)變。
這種橫截面不變的柱狀集流器結(jié)構(gòu)在那些遠(yuǎn)離集流器饋送管的地 方并不優(yōu)化，集群過(guò)渡所產(chǎn)生的熱應(yīng)變結(jié)合所述集流器作為承壓容器 而必須吸收的機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致主體壁厚比所希望的壁厚要大，由于在 所述集流器接合到所述太陽(yáng)能吸收管的接合管嘴處引發(fā)的熱應(yīng)變，所 以這也具有破壞性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種集流器結(jié)構(gòu)，其可以用在具 有熔融鹽或者任何其他轉(zhuǎn)移流體的太陽(yáng)能接收板中，在所述集流器接 合到所述太陽(yáng)能吸收管的接合管嘴處能更為有效地抵御熱應(yīng)變，而不 需要使用復(fù)雜昂貴的熱保護(hù)設(shè)備。
本發(fā)明的另一項(xiàng)目的在于提供一種集流器結(jié)構(gòu)，用于具有熔融鹽 或任何其他轉(zhuǎn)移流體的太陽(yáng)能接收板中，允許在該集流器的主體中使 用薄壁，以使用于接合太陽(yáng)能吸收管的接合管嘴更好地符合這些管的 較薄厚度。
本發(fā)明的另一項(xiàng)目的在于提供一種集流器結(jié)構(gòu)，用于具有熔融鹽 或任何其他轉(zhuǎn)移流體的太陽(yáng)能吸收板中，允許對(duì)連接的全部管使用相 同的集流器-太陽(yáng)能吸收管接合管嘴構(gòu)思，包括那些位于鹽或轉(zhuǎn)移流體 流量高的集流器區(qū)域和流量低的區(qū)域中的接合管嘴，而且在制造和成 本方面存在附帶的優(yōu)勢(shì)。
前述和其他目的通過(guò)薄壁集流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該集流器通常具有較小 的最大直徑以及可變橫截面。
必須從能夠用來(lái)制造集流器和太陽(yáng)能吸收管的可能材料中進(jìn)行選 材，這些材料在高于600。C的高溫下具有良好的性質(zhì)，即機(jī)械強(qiáng)度較 高、熱疲勞強(qiáng)度高、抗蠕變強(qiáng)度高、在高溫且承受應(yīng)變的情況下對(duì)硝
酸鹽或所用轉(zhuǎn)移流體的耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)較低以使熱變形引起 的載荷降低，并且可以焊接，可以塑形而且還比較常用。在這一方面，
鎳基超級(jí)合金，諸如Inconel625等，是良好的選擇。
集流器組件包含了擠壓或機(jī)加工并后續(xù)焊接的接合管嘴，用于通 過(guò)太陽(yáng)能吸收管分布和匯集熔融鹽或所用的轉(zhuǎn)移流體，它們?nèi)慷純?yōu) 選以鎳基超級(jí)合金制造。所述集流器還包含至少一個(gè)入口或出口管嘴， 將集流器的主體連接到至少一個(gè)饋送管。集流器主體不是橫截面不變 的柱狀，而是具有可變的橫截面，在接合到所述管的接合區(qū)段或接合 到所述饋送管的接合區(qū)段橫截面最大，而隨著集流器區(qū)段遠(yuǎn)離所述饋 送管或所述管而橫截面逐漸減小。
集流器的重要功能是在太陽(yáng)能吸收管內(nèi)以最小壓力損失均勻分布
鹽流或轉(zhuǎn)移流體流。為此，具有優(yōu)勢(shì)的是讓集流器饋送管的通流面積 至少等于連接到集流器的太陽(yáng)能吸收管的通流面積的總和。如果不是
用一個(gè)饋送管來(lái)供給集流器，而是使用多于一個(gè)饋送管，則饋送管通 流面積總和必須至少等于連接到集流器的太陽(yáng)能吸收管的通流面積總 和。
集流器主體的最大橫截面位于用于接合到饋送管的接合區(qū)域內(nèi)， 至少等于連接到集流器的太陽(yáng)能吸收管的通流面積總和的1.5倍。集 流器主體的剩余橫截面隨著集流器從供給集流器的饋送管或管離開(kāi)而 逐漸減小，遵循特定變化規(guī)律，但是優(yōu)選變化梯度最大，這樣允許通 過(guò)可行的制造工藝將所連接的太陽(yáng)能吸收管的全部接合管嘴收容到集 流器內(nèi)，并且允許借助自動(dòng)軌跡焊將全部這些管接合到它們各自的管 嘴。集流器側(cè)部或端部區(qū)域是較難滿足這些條件的區(qū)域，因?yàn)榇嬖谕?流面積最小的區(qū)域，因此它們限定了不同的梯度。
相對(duì)于橫截面不變且尺寸與可變集流器的最大橫截面相同的集流 器而言，橫截面可變的集流器提供的優(yōu)勢(shì)在于
可變集流器允許更大程度地改善接合在其上的太陽(yáng)能吸收管內(nèi)的 流動(dòng)分布，由于橫截面通流面積較小而增大了集流器側(cè)部區(qū)域內(nèi)的鹽 流或轉(zhuǎn)移流體流的流速，因此在集流器-管接合管嘴內(nèi)降低了相對(duì)于過(guò)
渡狀態(tài)而產(chǎn)生的熱應(yīng)變，并且由于上述橫截面通流面積減小所以降低 了這些區(qū)域的機(jī)械壓應(yīng)力，這樣明顯降低了相對(duì)于相同壓力載荷所產(chǎn) 生的應(yīng)變。
從這些優(yōu)勢(shì)可以派生出相關(guān)的優(yōu)勢(shì)，集流器整體橫截面通流面積 減小的程度越大，這些優(yōu)勢(shì)理論上越大，這些優(yōu)勢(shì)包括限定更薄的壁 厚的可能性以及針對(duì)本發(fā)明的集流器主體進(jìn)行優(yōu)化，使得在使用該集 流器的太陽(yáng)能電廠的定日鏡場(chǎng)中發(fā)生集群過(guò)渡過(guò)程的時(shí)候，該集流器 主體能承受鹽流速或轉(zhuǎn)移流體流速較低的集流器區(qū)域內(nèi)所遭受的嚴(yán)重 熱應(yīng)變。
得益于其優(yōu)勢(shì)的影響，本發(fā)明的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于，對(duì)于全部與集 流器連接的管來(lái)說(shuō)，能夠?qū)⒓髌鹘雍系教?yáng)能吸收管的接合管嘴 限定為相同的構(gòu)思，明顯帶來(lái)制造和成本方面的優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)于鹽或 轉(zhuǎn)移流體流速較低的集流器區(qū)域內(nèi)的管嘴，不需要使用其他復(fù)雜的設(shè)
計(jì)或者復(fù)雜昂貴的熱保護(hù)設(shè)備。
其他額外優(yōu)勢(shì)是因直徑較小而減小了閉合集流器的蓋板的厚度， 本發(fā)明允許這種厚度減小。
通過(guò)實(shí)施例，并考慮到該實(shí)施例中僅由中部管來(lái)供給集流器，所 以在本發(fā)明的物理實(shí)施例中，可變橫截面使得集流器呈紡錘形。在本 發(fā)明的另一個(gè)物理實(shí)施例中，橫截面變化梯度恒定，使得集流器包括 兩個(gè)借助較大基部接合起來(lái)的截頭圓錐區(qū)段。
在本發(fā)明另一種物理實(shí)施例中，連接饋送管的集流器的主體的中 部區(qū)域保持柱狀以便于制造，而在該連接部的出口處立即變成可變橫 截面。
在任何情況下，集流器整體橫截面盡可能減小，但是受到可行的 制造工藝的制約，該可行的制造工藝允許將其連接的太陽(yáng)能吸收管的 全部接合管嘴收容到集流器中并且通過(guò)焊接接合在其上。
作為尺寸參考，考慮了太陽(yáng)能吸收管厚度較薄而且這些管彼此并 排布置在太陽(yáng)光線入射平面上形成接收板，集流器長(zhǎng)度大約等于所連 接的太陽(yáng)能吸收管的總數(shù)乘以這些管的平均直徑。
根據(jù)前述限定的最大橫截面，集流器最大直徑的最小值為太陽(yáng)能
吸收管平均直徑乘以太陽(yáng)能吸收管數(shù)1.5倍的平方根，并且集流器最 小直徑與其最大直徑之間的比率(該比率盡可能最大)隨著集流器長(zhǎng) 度變大而增大，或者換句話說(shuō)，隨著集流器連接的太陽(yáng)能吸收管數(shù)增 多，根據(jù)直徑比率，較大的橫截面增多。
這樣，本發(fā)明的集流器更為有利，因?yàn)榧髌鞅仨気^大，以連接 更多的太陽(yáng)能吸收管，并且較之以前研制的集流器，本發(fā)明為集流器 主體提供了更薄更優(yōu)化的厚度，這樣在熱力學(xué)上更好地符合所連接的 太陽(yáng)能吸收管的較薄厚度，使得溫度梯度較小，因此在集群流通過(guò)程 中在鹽或轉(zhuǎn)移流體中引發(fā)嚴(yán)重溫度過(guò)渡過(guò)程的時(shí)候，在集流器-管接合 管嘴內(nèi)產(chǎn)生的熱應(yīng)變較小。這樣，較之以前研制的集流器-管組件而言， 顯著延長(zhǎng)了本發(fā)明集流器-管組件的壽命。
本發(fā)明不再需要在鹽或轉(zhuǎn)移流體流速較低的集流器區(qū)域內(nèi)的管嘴 中使用昂貴復(fù)雜的熱保護(hù)件，而且相對(duì)于流速較高、工作條件較好的 區(qū)域內(nèi)的管嘴來(lái)說(shuō)，不再需要為流速較低的區(qū)域內(nèi)的管嘴限定不同的 管嘴設(shè)計(jì)。


全部已經(jīng)論述的特征以及其他作為本發(fā)明特性的特征，如果它們 包含在權(quán)利要求書(shū)中，則將從以下參照附圖的說(shuō)明中得到更好的理解， 附圖中示出了作為非限制性示例給出的可能實(shí)施例。
附圖中
圖1示出了屬于中央接收器的太陽(yáng)能吸收管的局部橫截面?zhèn)纫?圖，帶有根據(jù)本發(fā)明形成的集流器；
圖2示出了紡錘形、橫截面可變的集流器的正視圖3示出了圖2所示的平面圖4示出了圖2所示集流器的剖面圖5示出了由錐形截錐體形成的橫截面可變的集流器的正視圖； 圖6示出了帶有兩個(gè)入口的橫截面可變的集流器的正視圖，其中
橫截面最大并與饋送管連接的中部區(qū)域?yàn)橹鶢顓^(qū)段，所迷柱狀中部區(qū) 域也可以適用于紡錘形集流器。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了本發(fā)明優(yōu)選物理實(shí)施例的集流器IO組件的側(cè)視圖，該 組件布置在太陽(yáng)能吸收板12內(nèi)側(cè)。太陽(yáng)能吸收板12由一系列彼此平 行并借助接合管嘴16接合的太陽(yáng)能吸收管14形成，所述接合管嘴16 用于接合集流器10的主體18。
集流器10組件由橫截面可變的主體18和閉合側(cè)蓋19形成，它們 在圖2至6中示出。管14優(yōu)選對(duì)焊在接合管嘴16上。
熔融鹽或者所用的轉(zhuǎn)移流體通過(guò)接合到該集流器10的入口管嘴 和出口管嘴21進(jìn)出太陽(yáng)能吸收板。熔融鹽或轉(zhuǎn)移流體吸收定日鏡 (heliostat)場(chǎng)(未示出)反射到管14上的太陽(yáng)能輻射22的熱能。
所述集流器組件用來(lái)將加熱的鹽或流體分布到太陽(yáng)能吸收管14, 或從其匯集鹽或流體。除了來(lái)自定日鏡場(chǎng)的太陽(yáng)能輻射22所入射的面 板表面之外，所述板組件利用熱保護(hù)件23隔離，以改善該組件的熱效 率。
圖2、 3和4分別以正視圖、平面圖和剖面圖分別圖示出了根據(jù)本 發(fā)明優(yōu)選物理實(shí)施例，形狀為紡錘形的橫截面可變的集流器10。所述 管嘴，包括入口管嘴和出口管嘴21以及用于接合到太陽(yáng)能吸收管的接 合管嘴16，優(yōu)選在橫截面可變的集流器10的主體18上直接擠壓出來(lái)。 在使用焊接管嘴的情況下，后者進(jìn)行塑形和加工之后，將它們插入集 流器主體18制作的現(xiàn)有孔中，然后進(jìn)行焊接。
太陽(yáng)能吸收管14優(yōu)選對(duì)焊到各接合管嘴16。集流器組件的可靠 性很大程度上取決于這些元件的焊接件，因此，自動(dòng)化的過(guò)程越多， 則集流器10越可靠。
盡可能減小集流器IO整體的橫截面，受到可行的制造工藝制約， 該生產(chǎn)條件允許在集流器10的主體18側(cè)部或端部區(qū)域內(nèi)通過(guò)優(yōu)化分 布來(lái)收容其所連接的太陽(yáng)能吸收管14的全部接合管嘴16，并且還受
到通過(guò)焊接將集流器10組件接合到太陽(yáng)能吸收管14的加工過(guò)程的制 約。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明另一種物理實(shí)施例，橫截面可變的集流器 IO的視圖。在該實(shí)施例中，橫截面變化梯度恒定，以使集流器10包 括共用較大基部的兩個(gè)截頭圓錐區(qū)段。
圖6示出了根據(jù)部本發(fā)明另一物理實(shí)施例，橫截面可變的集流器 IO的視圖。其中，連接饋送管的集流器10的主體18的中部區(qū)域維持 柱狀，以便于生產(chǎn)，而在連接部的出口處立即變成可變結(jié)構(gòu)。
雖然參照示于圖中的實(shí)施例論述并解釋了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技 術(shù)人員應(yīng)該理解，可以對(duì)所述實(shí)施例的形狀和細(xì)節(jié)進(jìn)行若千改動(dòng)，而 且不會(huì)改變要求保護(hù)的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1. 一種用于太陽(yáng)能吸收板的橫截面可變的薄壁集流器，以鎳基超級(jí)合金制造，用于分布和匯集熔融硝酸鹽或任何其他高溫流體，由以下形成:主體(18)；多個(gè)遍布所述主體(18)分布的接合管嘴(16)，這些接合管嘴將所述主體連接到太陽(yáng)能吸收管(14)；和將所述主體(18)連接到至少一饋送管的至少一入口或出口管嘴(21)，其特征在于，所述主體(18)具有可變的橫截面，從橫截面最大的中部區(qū)域持續(xù)減小，直到到達(dá)所述主體(18)的端部區(qū)段，所述至少一個(gè)入口或出口管嘴(21)的軸線位于所述中部區(qū)域內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的集流器，其特征在于，所述集流器(IO) 的主體(18)采用紡錘形。
3. 如權(quán)利要求1所述的集流器，其特征在于，所述集流器(IO) 的主體(18)釆用兩個(gè)截頭圓錐元件以其較大基部相對(duì)的形式。
4. 如權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)所述的集流器，其特征在于，所述集 流器(10)的主體(18)的橫截面最大的中部區(qū)域由柱狀區(qū)段構(gòu)成。
5. 如權(quán)利要求l至3任一項(xiàng)所述的集流器，其特征在于，所述集 流器(10)的主體(18)的橫截面最大的中部區(qū)域由垂直于所述主體 軸線的平面限定。
6. 如權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的集流器，其特征在于， 用于供給所述集流器(10)的所述饋送管的通流面積總和至少等于與所述集流器(10)連接的全部太陽(yáng)能吸收管(14)的通流面積；所述集流器(10)的主體(18)的最大通流面積至少等于連接它 的全部太陽(yáng)能吸收管(14)的通流面積的1,5倍。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于一種用于太陽(yáng)能吸收板的橫截面可變的薄壁集流器，以鎳基超級(jí)合金制造，并由薄壁主體(18)和多個(gè)管嘴(16、21)形成。集流器(10)連接到一系列接合管嘴(16)，其中各太陽(yáng)能吸收管(14)連接到這些接合管嘴；以及至少一個(gè)入口或出口管嘴(21)，至少一個(gè)饋送管連接到該入口或出口管嘴。主體(18)可以為紡錘形，或者可以由兩個(gè)以較大基部接合在一起的截頭圓錐區(qū)段形成，并且可以進(jìn)一步在所述入口或出口管嘴(21)的高度處具有中部柱狀區(qū)段。該集流器尤其適用于在太陽(yáng)能板中匯集高溫流體。
文檔編號(hào)F24J2/24GK101379350SQ200780004233
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月1日
發(fā)明者J·M·拉塔·佩雷斯 申請(qǐng)人:Sener工程系統(tǒng)私人控股公司