CN102007293A - 具有备用热供应系统的太阳能蒸汽发生器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于太阳能接收器蒸汽发生器的备用热供应系统，以便在夜间时段期间、当太阳辐射不可用时保持该系统处于相对恒定的温度。具有备用的热供应系统的一种示例性太阳能蒸汽发生器包括蒸汽回路，该蒸汽回路具有至少一个太阳能板、蒸汽鼓和循环泵，由此太阳能加热水来产生蒸汽，该蒸汽被提供至蒸汽鼓。该备用热供应系统包括外部备用加热器，其中来自蒸汽鼓的水被提供至外部备用加热器。在夜间时段期间促动隔热阀，以允许水循环通过备用加热器。太阳能蒸汽发生器的另一个示例性实施例包括内部备用热供应系统，其具有浸入蒸汽鼓中以便在夜间时段期间直接加热水的加热器元件。

Description

具有备用热供应系统的太阳能蒸汽发生器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2008年4月16日提交的美国临时专利申请No.61/045,361以及2008年5月30日提交的美国临时专利申请No.61/057,460的权益；这些专利申请以它们的整体结合在本文中。
技术领域
本公开大体涉及太阳能蒸汽发生器，且更具体而言，涉及具有备用热供应系统的太阳能蒸汽发生器。
背景技术
使用太阳能来加热工作流体是已知的，工作流体起作用来为工业过程提供热能或者产生电功率。在发电应用中，来自太阳的辐射能集中到太阳能接收器上来加热工作流体，由此使用该热量来产生蒸汽，以便为使发电机转动来提供电力的涡轮机供以动力。在白天时段期间，辐射能可用来加热工作流体。但是在夜间时段期间，热传递流体冷却下来，从而在白天时段到来时导致能量损失以及用来加热传递流体的更长的恢复时间。当白天返回时，太阳能再次加热工作流体，这可在以最优的水平执行发电之前占用相当长的时间段。此外，太阳能接收器中的构件的反复的热循环提高了这些构件上的应力，该应力可导致开裂、构件寿命缩短或者构件故障。
因此，存在降低由于反复的冷却和加热而产生的、太阳能接收器的构件的热循环的效应的需要。此外，存在当白天来临时缩短太阳能发电机的起动时间的需要。
本发明提供了一种备用热供应系统来克服与在夜间时段期间热传递流体的冷却相关联的这些问题。
发明内容
根据本文所说明的各方面，提供了一种包括太阳能板的太阳能蒸汽发生器，太阳能板加热穿过其中的流体。蒸汽鼓将蒸汽与从太阳能板接收的流体分开；并且然后将该流体提供给太阳能板。备用热供应系统在提供给太阳能板的太阳能低的时段期间加热蒸汽鼓中的流体。
根据本文所说明的其它方面，存在一种在夜间时段期间保持太阳能蒸汽发生器内的流体处于预期的温度的方法。该方法包括利用备用热量加热流过太阳能板的流体，使被加热的流体循环到使蒸汽与从太阳能板接收的流体分开的蒸汽鼓；以及使来自蒸汽鼓的流体循环回到太阳能板。该方法还包括当流体的温度跌落到期望温度之下时使流体流循环到备用加热器；以及使被加热的流体流从备用加热器循环回到蒸汽鼓。
通过以下附图和详细描述例示了以上所述的以及其它的特征。
附图说明
现在参照附图，其是示例性实施例，且其中同样的元件类似地编号：
图1是根据本发明的太阳能蒸汽发电系统的示意图；
图2是根据本发明的、在蒸汽鼓外部具有备用热供应系统的太阳能蒸汽发生器的示意性视图；且
图3是根据本发明的、在蒸汽鼓内部具有备用热供应系统的太阳能蒸汽发生器的另一个实施例的示意性视图。
具体实施方式
参照图1和图2，本发明提供了太阳能蒸汽发生器或者太阳能接收器100，其包括用于在夜间时段(或者低太阳能时段)期间、当太阳辐射101不可用时保持太阳能接收器内的水132处于相对恒定的温度的备用热供应系统109。保持太阳能接收器100处于恒定温度将缩短当太阳辐射针对蒸汽发生变得可用时的恢复时间。恒定温度还将减小厚壁蒸汽发生器构件上的热循环应力，由此提高构件寿命。太阳能接收器100显示为太阳能发电系统10的一部分，然而，本发明构想了太阳能接收器100和备用热供应系统109还可用于需要对流体进行太阳能加热的工业应用和其它系统。
参看图1，根据本发明的一个实施例的太阳能接收器100显示为设置在塔架102上、太阳能收集器104(诸如镜面或者定日镜)的场中。太阳能收集器104布置在塔架附近，以便将来自太阳106的太阳能或者太阳辐射101引导到太阳能接收器100。定日镜104可具有弯曲的或者平坦的构造。各个定日镜可为响应于太阳的相对位置可独立地调节的。例如，定日镜可布置成阵列，由此各个阵列的定日镜由构造成以便探测和跟踪太阳的相对位置的一个或多个控制装置(未显示)单独地控制或者与该阵列的其它定日镜一起由该一个或者多个控制装置控制。因而，定日镜104可根据太阳106的位置进行调节，以便将太阳光反射到接收器100上，由此加热接收器100中的流体(例如水、传递流体)。
在本发明的一个实施例中，太阳能接收器100在图1中示出，水由其加热，以便产生用于使蒸汽涡轮机发电机113旋转的蒸汽。太阳能接收器100包括从输入管或者导管112接收水(或者其它流体)的管道(或者管路)124(见图2)的至少一个面板122。如下文将更详细地描述的，太阳能接收器100可包括执行不同的功能以便将太阳的辐射热量传递到流过管道的水和/或蒸汽的多个面板。
如图1和2中所示，定日镜104将太阳的太阳辐射引导到太阳能接收器100，且更具体而言引导到具有流过其中的水和/或蒸汽的管道124的面板122上。辐射热量101使流过其中的水的温度升高，以便产生高温蒸汽。然后通过输出管或者导管114将该蒸汽127提供至发电系统，例如涡轮机发电机112。具体而言，如图1中所示，将蒸汽提供至蒸汽涡轮机126，蒸汽涡轮机126为发电机128供以动力，以便产生电力146。
图2示意性地示出了本发明的太阳能蒸汽发生器100的一个实施例。如图所示，该太阳能接收器包括太阳能板118(或蒸发器)，蒸汽鼓119以及备用热供应系统109。如上文所描述的，蒸发器118包括接收水和/或水与蒸汽混合物并且起作用来提高流过相应的管道的水的温度的管道124的至少一个面板122。典型地，蒸发器118包括多个面板。
如图所示，蒸汽鼓119通过输入导管112接收来自蒸汽涡轮机126的再循环的水和/或水与蒸汽混合物125。在蒸汽鼓119中，进入的水125通过水分配集管(未显示)沿着鼓的整个长度分配。分配集管中的喷嘴(未显示)沿着向下方向引导进入的水，以便最小化紊流并且有助于循环。水125在鼓119中与水132混合，并且被引导到下水管134。下水管134始于蒸汽鼓处且终止于蒸发器入口136处，从而将水引导至蒸发器118。
循环泵138将再循环的水132从设置在蒸发器面板(一个或多个)118(即水壁)的顶部处的蒸汽鼓119泵送到蒸发器面板(一个或多个)的底部入口136。该循环泵138针对所有负载状态提供流向蒸发器面板(一个或多个)的冷却水的恒定流动。这容许对负载变化做出快速响应。
来自蒸发器118的饱和蒸汽与水混合物139在137处进入蒸汽鼓119，并且被引导到分离器(未显示)。蒸汽127通过出口导管114离开蒸汽鼓119的顶部而到达涡轮机发电机112。鼓119装备有安全阀、排放阀、压力传送器、压力计、水位计以及水位指示器(未显示)。
流量阀160设置在输入导管112中，以便控制再循环的水(或给水)132到蒸汽鼓119的流动，以便在蒸汽鼓中保持水的期望水位。流量阀响应于表示蒸汽鼓中的水的水位、蒸汽127的流率以及给水125的流率的一个或多个控制信号来打开和关闭。如图2中所示，可由水位传感器162、测量蒸汽流率的流量计164以及测量给水流率的流率计(flowrate)166来提供控制信号。蒸汽鼓119中的水的水位的控制确保了用于蒸汽回路的足够的水132，并且防止过渡装填，过渡装填可导致水132通过输出导管114离开蒸汽鼓。
由输出导管114提供至蒸汽涡轮机126的蒸汽114膨胀，并且使涡轮机和发电机128旋转，从而在146处产生电力。离开涡轮机的蒸汽被供给回到输入导管112，以便被再循环通过太阳能接收器100。太阳能发电系统构思了具有设置在涡轮机126和太阳能接收器100的输入管112中间的冷凝器140，以便冷却离开的涡轮机蒸汽，以将蒸汽冷凝成水125。
如上文所描述的，图2的太阳能接收器100还包括具有外部备用加热器110的备用热供应系统109，其中来自蒸汽鼓119的水132可被泵送或者循环通过备用加热器，并且泵送或者循环回到蒸汽鼓，这就形成了辅助回路148。备用加热器保持水132的温度处于大约500°F。备用加热器110可为任何已知的传统的加热器或者热交换器。例如，备用加热器可为具有电加热元件或者设置在其中的热交换管路的器皿。备用加热器110的促动可由向应于表示流体132、139的温度、太阳光的存在和/或期望的时间段的控制信号来启动备用加热器的电子控制器152控制，将在下文中对此进行更加详细地描述。
加热器隔离阀150设置在辅助回路148内，诸如设置在备用加热器110的入口处，以便控制水132通过备用加热器的流动。类似于控制备用加热器110，阀150可响应于表示流体132、139的温度、太阳光的存在和/或期望的时间段的控制信号以电子的方式受控制。如图2中所示，设置了温度传感器154，以便测量从蒸发器118流出的流体139的温度。本发明还构想了温度传感器可测量蒸汽鼓中的或者流过下水管134的流体的温度。使用所感测的温度来控制隔离阀150和备用加热器110二者。当温度跌落到期望的温度以下时，隔离阀被打开且备用加热器被启动，以便容许在夜间时段或者低辐射能的时段期间由备用加热器加热来自蒸汽鼓的水132。
正如所建议的，虽然加热器隔离阀150和备用加热器110由表示水132和/或水与蒸汽混合物139的温度传感器154控制，隔离阀和备用加热器也可由表示缺乏或者减少了到达太阳能接收器100的辐射热量的任何所感测的信号控制，诸如光或者基于所感测的亮度强度或者缺乏日光而促动隔离阀的太阳能指示器(未显示)。此外，隔离阀150可由在特定时间处促动该隔离阀150的定时器控制。
本发明还构思了具有设置在蒸发器118的入口136处的第二阀(未显示)，其在加热器隔离阀150打开时关闭。第二阀的关闭将最小化流过蒸发器118的流体的冷却。本发明还构思了水132可通过水的自然对流而无需借助于循环泵138在蒸汽鼓119和备用加热器110之间自然地循环。
在图3中显示了根据本发明的、具有内部备用热供应系统202的太阳能接收器200的另一个示例性实施例。该太阳能接收器200与图2中所示的太阳能接收器100基本相同，只是该太阳能接收器包括内部备用热供应系统202，内部备用热供应系统202具有浸入蒸汽鼓119中以便直接加热从蒸汽鼓循环通过太阳能板(或蒸发器)118的水132的加热元件204。具有相同的参考标号的构件是相同的，并且以类似的方式起作用。加热元件202可使用电力或者其它功率被加热。另外，加热元件可为热交换器的部分，由此被加热的流体穿过延伸通过蒸汽鼓119的管路。类似于图2的实施例，电子控制器152受控制，使得加热器元件204仅可在夜间时段或者低辐射能时段期间被启动。该实施例消除了与图2所示的外部备用热系统相关联的外部管道系统和压力器皿。
虽然太阳能接收器100显示了蒸发器118，但本发明还构思了节热器，该节热器形成为类似于蒸发器，在输入导管112与蒸汽鼓之间流体连通，由此给水125流过节热器的管道而流到蒸汽鼓。由太阳能收集器104提供的辐射热量被引导到节热器的管道的面板上，其可能是通过节热器的管道而供给的水。
此外，本发明构思了该太阳能接收器100具有过热器，该过热器使离开蒸汽鼓119的蒸汽127过热并且通过输出导管114将过热的蒸汽提供至涡轮机发电机113。过热器类似于蒸发器118，其中过热器包括管道的多个面板，以使得穿过其中的蒸汽能够通过由太阳能收集器104提供的辐射热量加热。
虽然本文所描述的太阳能蒸汽发生器100被描述为用于太阳能发电机10的太阳能接收器，但是本发明还构思了太阳能蒸汽发生器可用于其它应用中，诸如需要将太阳能转换成热源-诸如蒸汽的工业用途。因此，可从任何源提供给水125，以便保持鼓内的流体水位。
虽然已经参照各示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是，可做出各种变化，且可用等效物代替其元件而不会偏离本发明的范围。此外，可做出许多修改，以便使特定的情形或者材料适于本发明的教导而不会偏离本发明的实质范围。因此，预期的是本发明不限于作为构思来实施本发明的最佳模式而公开的特定的实施例，而是本发明将包括落在所附的权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (11)

1.一种太阳能蒸汽发生器，包括：
加热从中穿过的流体的太阳能板；
使蒸汽与从所述太阳能板接收的流体分离的蒸汽鼓；所述蒸汽鼓将所述流体提供至所述太阳能板；
在提供至所述太阳能板的太阳能低的时段期间加热所述蒸汽鼓中的流体的备用热供应系统。
2.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所包括的所述备用热供应系统在所述蒸汽鼓外部。
3.根据权利要求2所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述备用热供应系统包括备用加热器，该备用加热器包括具有设置在其中的加热元件的器皿。
4.根据权利要求2所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述备用热供应系统包括备用加热器，该备用加热器包括具有设置在其中的热交换器的器皿。
5.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述备用热供应系统包括阀，该阀用于在低太阳能时段期间将流体从所述蒸汽鼓提供至备用热供应。
6.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述备用热供应系统包括阀，该阀用于响应于流体的温度的下降将所述流体从所述蒸汽鼓提供至所述备用热供应。
7.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述备用热供应系统包括阀，该阀用于响应于期望的时刻将流体从所述蒸汽鼓提供至所述备用热供应。
8.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述备用热供应系统在所述蒸汽鼓内部。
9.根据权利要求8所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述备用热供应系统包括包含设置在所述蒸汽鼓中的加热元件的备用加热器。
10.根据权利要求9所述的太阳能蒸汽发生器，其特征在于，所述加热元件是电加热元件和/或热交换管路。
11.一种在夜间时段期间保持太阳能蒸汽发生器内的流体处于期望的温度的方法，所述方法包括：
利用辐射热量加热流过太阳能板的流体；
将被加热的流体循环到使蒸汽与从所述太阳能板接收的流体分开的蒸汽鼓；
将所述流体从所述蒸汽鼓循环回到所述太阳能板；
当所述流体的温度降至期望的温度以下时将所述流体的流循环到备用加热器；以及
将被加热的流体流从所述备用加热器循环回到所述蒸汽鼓。
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