CN102007294A - 连续移动床太阳能蒸汽发生系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种连续移动床太阳能蒸汽发生与存储系统，以便在接收的太阳能损失或者减少之后产生蒸汽以用于生产过程。该系统包括接收颗粒材料30的流束的接收器10，颗粒材料30的流束在其穿过从收集器14中接收的能量15束时吸收太阳辐射能15。被加热的材料30束传送到第一室40中，以便加热其中的管道束42。来自颗粒材料30的热量被传递到束42，从而蒸发水以产生、再热(RH)和/或过热(SH)蒸汽46。冷却的材料30传送到第二室60。材料30从第二室60中排出，并且被传送至接收器10中的旋流器80。材料30从旋流器80中排出，以完成流动循环。

Description

连续移动床太阳能蒸汽发生系统
相关申请的交叉引用
本专利申请根据35 U.S.C.§119(e)要求序号为No.61/059,080、2008年6月5日提交的共同未决的美国临时专利申请和序号为No.61/045,361、2008年4月16日提交的美国临时专利申请的权益，它们的内容通过引用而以其整体结合在本文中。
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，涉及具有由能量吸收材料制成的连续移动床(CMB)的太阳能蒸汽发生器。
背景技术
大体而言，太阳能发电机包括太阳能接收器，太阳能接收器用于通过将由多个镜面和/或定日镜收集的太阳辐射能集中在接收器上来加热热传递流体。在太阳提供很少的辐射太阳能(例如在夜间或者在比较多云的白天)时的时段期间，热传递流体的温度降低或者冷却，从而导致能量损失，以及当再次对太阳能接收器提供足够的太阳辐射能时需要加长的恢复时间来再加热热传递流体。
因此，发明人已经发现，通过提供具有由能量吸收材料制成的连续移动床(CMB)的热供应系统，与热传递流体在较少辐射能的时段期间的冷却相关联的问题可得以克服。
发明内容
根据本文所公开的各方面，提供了一种太阳能发生与存储系统。该系统包括太阳能接收器，该太阳能接收器具有入口和出口，使得颗粒材料束从中流过并且吸收提供至太阳能接收器的太阳辐射能的热量。具有入口的第一室联接到接收器上。该第一室接收来自太阳能接收器的被加热的颗粒材料束。第一管道设置在第一室中。该第一管道包括从中穿过的热传递流体。在一个实施例中，在第一室中，被加热的颗粒材料束流动经过第一管道，将热量传递到热传递流体，并且冷却了该被加热的颗粒材料束。该系统还包括接收被冷却的颗粒材料束的第二室，以及将被冷却的颗粒材料束传送至太阳能接收器的入口的运送导管。
在一个实施例中，热传递流体包括水与蒸汽中的至少一种。当被加热时，热传递流体包括蒸汽、再热的蒸汽和过热的蒸汽中的至少一种。在一个实施例中，该第一管道包括多个管道。该多个管道的第二管道包括水与产生的蒸汽。该多个管道的至少第三管道包括蒸汽、再热的蒸汽和过热的蒸汽。
在一个实施例中，该太阳能发生与存储系统还包括控制颗粒材料从第一室到第二室的流动的至少一个第一颗粒控制阀。该太阳能发生与存储系统还可包括颗粒分离器，该颗粒分离器包括在太阳能接收器中、从第二室接收颗粒材料。在一个实施例中，该系统还至少包括控制颗粒材料从第二室到太阳能接收器的流动的第二颗粒控制阀，且在一个实施例中，该第二颗粒控制阀控制流向分离器的流动。
在以下附图和详细描述中说明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是根据一个实施例的蒸汽发生与存储系统的太阳能接收器部分的示意图；
图2是根据一个实施例的、包括于蒸汽发生与存储系统中的图1的太阳能接收器的连续运动床(CMB)布置的示意图；
图3是根据一个实施例的、结合在蒸汽涡轮机-发电机系统中的图2的CMB太阳能接收器蒸汽发生与存储系统的示意图；且
图4是根据又一个实施例的、结合在化学处理系统中的图2的CMB太阳能接收器蒸汽发生与存储系统的示意图。
具体实施方式
如图1所示，根据一个实施例，太阳能接收器10设置在塔12上、多个太阳能收集器14(诸如，例如镜面或者定日镜)附近。包括太阳能接收器10的一种示例性太阳能发电机在以上标识的共同转让、共同未决的序号为No.61/045,361的美国临时专利申请中进行了描述。
该太阳能收集器14将来自太阳16的太阳辐射能15引导到太阳能接收器10。在一个实施例中，收集器14具有弯曲的或者平坦的构造，并且可响应于太阳16的相对位置独立地调节。例如，收集器14中的一个或多个由用于当太阳16在一定时间段期间移动时探测和追踪太阳16的相对位置的一个或多个控制装置(未显示)控制。这样，收集器14周期性地根据太阳16的当前位置进行调节，以便将太阳辐射能15(例如日照)反射到接收器10上，由此加热接收器10和通过入口导管18提供至接收器10并且通过出口导管20从接收器10中送出的热传递介质30。
图2示出了图1的接收器10，其用于连续移动床(CMB)太阳能蒸汽发生与存储系统100内，以便在接收增大的太阳辐射能的时段(例如白天)以及接收减少的太阳辐射能的时段(例如在夜间或者多云的白天时)两者期间生产蒸汽。如本文所述，系统100产生且存储热能以用于处理的目的。如图2中所示，接收器10包含颗粒材料的流束30，当流束30内的微粒穿过接收器10的部分11并且穿过由太阳能收集器场14提供的集中的太阳辐射15束时，该颗粒材料30的流束吸收太阳辐射15。在一个实施例中，颗粒材料束30的微粒由具有一定微粒大小的粒状颗粒构成，选择该微粒大小以便最大化热量存储，同时最小化微粒的表面与一般内部区域之间的温度差异。选择微粒大小时所关注的其它因素包括(例如)防止由于接收器界面处的风流引起的微粒损失的空气动力学考虑，微粒热传送特性与密度，以及经济考虑，诸如，例如材料成本和可用性。如可以了解的，所有这些考虑都在选择优选的微粒大小时被优化了。
使颗粒材料束30以例如约1500至约2000华氏度(1500°F至2000°F，约816℃至约1093℃)的范围中的温度从接收器10传送到第一室40(诸如，例如联接到接收器10上的热的存储室40)中。第一室40包括位于第一室40的一部分中的蒸汽发生管道束42。该管道束42包含热传递流体。在一个实施例中，蒸汽发生管道束42位于第一室40的较低的部分44中。在各种实施例中，蒸汽发生管道束42产生、再生以及过热来自热传递流体的蒸汽46，并且该蒸汽46被引导至一个或多个蒸汽涡轮机-发电机202(图3)、石油化学品裂解塔302(图4)，或者作为用于在其它商业和/或工业过程中使用的过程蒸汽来引导。
如图2中所示，热颗粒材料30通过例如重力流动和/或机械的方式辅助的流动(例如，被泵送到室40中以及室40周围)而流入第一室40中，循环并且流动经过蒸汽发生管道束42，使得从管道束42中的热传递流体和/或蒸汽中产生、再生和/或过热蒸汽。随着颗粒材料30流动经过管道束42，来自颗粒材料30的热量传递到管道束42，以产生、再生和/或过热在管道束42中循环的蒸汽。例如，在一个实施例中，水和/或水与水蒸气的混合物在管道束42内流动，其蒸发而产生蒸汽46，且/或者过程蒸汽46在管道束42中被进一步加热，以便在管道束42中提供过热(SH)的或者再热(RH)的蒸汽46。如可了解的，从颗粒材料30到管道束42以及其中的水、蒸气和蒸汽46的热传递导致了颗粒材料30的冷却。在一个实施例中，管道束42包括多个管道，该多个管道中的一个或多个具有延展的表面，诸如，例如翅片、肋等等，以便提高到管道束42的热传递的速率。翅片还可降低重量和/或制造以及维护管道束42及其部分的成本。将了解的是，通过在第一室40中保持被加热的颗粒材料30的供应，并且允许其在管道束42周围循环和/或流动经过管道束42，可在接收器10接收减少的量或强度的太阳辐射能15时(例如在夜间或者在多云的白天时)的时间段期间产生和/或再生(例如过热和/或再热)蒸汽。
在一个实施例中，离开第一室40的颗粒材料束30的流率由一个或多个流动控制阀50控制，流动控制阀50联接到第一室40的输出48上，并且例如联接在蒸汽发生管道束42周围的流下游。如图2中所示，被冷却的颗粒材料30穿过流动控制阀50而到达第二室60，诸如，例如冷的存储室60。在一个实施例中，控制阀50协作，以控制穿过管道束42、在管道束42周围循环和/或流动经过管道束42的颗粒材料30的量，且因而控制由CMB太阳能蒸汽发生与存储系统100所发生的蒸汽的量、温度、压力和/或强度。例如，发明人已经发现有利的是在太阳辐射能的接收增大的时段期间(例如在白天时段期间)控制来自第一室40的颗粒材料30的流动，使得第一室40在这样的接收增大的时段期间缓慢地填充有热颗粒材料30，以便用于当前的和随后的使用。类似地，发明人已经发现有利的是在太阳辐射能的接收减少的时段期间(例如在夜间期间或者多云的白天时段期间)控制来自第一室40的颗粒材料30的流动，使得在这样的接收减少的时段期间，第一室40在其中维持并且继续允许热颗粒材料30经过管道束42循环和流动，从而使得在这样的时段期间继续产生、再生和/或过热蒸汽。将了解的是，选择室40和60的微粒流率和大小，以便允许例如在二十四(24)小时时间段上以满负载连续运行。
在一个实施例中，被冷却的颗粒材料30以约300至约500华氏度(300°F至500°F，约149℃至约260℃)的范围中的温度从第一室40传送到联接到控制阀50上的第二室60中。在一个实施例中，为了在CMB太阳能蒸汽发生与存储系统100中保持预定的持续流动，通过第二室60的输出62处的一个或多个颗粒控制阀72将颗粒材料30从第二室60移除或者排出到运送导管70(诸如，例如气动运送导管70)中。运送导管70将颗粒材料30传送至接收器10的入口导管18。在一个实施例中，旋流器80在例如接收器10中联接到入口导管18中，以便移除例如在运送导管70中使用、以将颗粒材料30驱动回到接收器10的空气或者气体82。颗粒材料30积聚并且从旋流器80中排出到接收器10的部分11中，以便将颗粒材料30暴露于来自太阳能场14的集中束15，并且完成颗粒材料30通过CMB太阳能蒸汽发生与存储系统100的流动循环。
将了解的是，选择接收器10、第一室40、第二室60和蒸汽发生器管道束42中的一个或者多个的大小和/或存储容量，以便在太阳辐射能的接收增大的时段(例如日照时段期间)以及太阳辐射能的接收减少的时段(例如在多云的白天或者夜间时间段期间)中的一个或者多个期间优化蒸汽发生。
如大体已知的，蒸汽在各种各样的商业和工业应用中有用。因此，可采用图2的CMB太阳能蒸汽发生与存储系统100来产生蒸汽，以用来驱动例如一个或多个涡轮机以便以成本高效、环境友好的方式产生电力，以及用于化学处理中。例如，图3示出了CMB太阳能蒸汽发生与存储系统100在具有一个或多个涡轮机202的蒸汽-发电系统200中的集成。如图3所示，在蒸汽发生管道束42中所产生的蒸汽46被引导到一个或多个蒸汽涡轮机202，以便驱动涡轮机和联接到其上的发电机204，以便产生电力E。另外，如图4所示，CMB太阳能蒸汽发生与存储系统100集成到化学处理系统300中，诸如，例如以便为石油化学品裂解塔302提供蒸汽，在石油化学品裂解塔302中，使用高温蒸汽来使相对较大的碳氢化合物(例如重质原油)分裂成较小的碳氢化合物(例如汽油，煤油等等)以及其它化学物品和材料。在其它实施例中，CMB太阳能蒸汽发生与存储系统100将蒸汽46提供给蒸汽重整过程，诸如，例如，蒸汽甲烷重整(SMR)过程，以便产生氢气(H2)。
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 (20)

1.一种太阳能蒸汽发生与存储系统，包括：
太阳能接收器，具有入口和出口，使得颗粒材料束从中流过并且吸收提供至所述太阳能接收器的太阳辐射能的热量；
具有接收来自所述太阳能接收器的被加热的颗粒材料束的入口的第一室；
设置在所述第一室中的第一管道，所述第一管道具有从中穿过的热传递流体，其中，在所述第一室中，所述被加热的颗粒材料束流动经过所述第一管道，将热量传递至所述热传递流体并且冷却所述被加热的颗粒材料束；
接收被冷却的颗粒材料束的第二室；以及
用于将所述被冷却的颗粒材料束传送至所述太阳能接收器的入口的运送导管。
2.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述热传递流体由水与蒸汽中的至少一种构成，且当被加热时，由蒸汽、再热的蒸汽和过热的蒸汽中的至少一种构成。
3.根据权利要求2所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述第一管道包括多个管道，至少第二管道包括水和产生的蒸汽，且至少第三管道包括蒸汽、再热的蒸汽和过热的蒸汽。
4.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述第一管道包括多个管道，该多个管道包括具有延展的表面以便提高到所述第一管道的热传递的速率的至少一个管道。
5.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，提供至所述太阳能接收器的所述太阳辐射能来自具有多个镜面和/或定日镜的太阳能收集器场。
6.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述太阳能蒸汽发生与存储系统还包括控制所述颗粒材料从所述第一室到所述第二室的流动的至少一个第一颗粒控制阀。
7.根据权利要求6所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，在接收增大的太阳辐射能的时段期间，所述至少一个第一颗粒控制阀控制所述流动，使得所述第一室填充有被加热的颗粒材料束。
8.根据权利要求6所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，在接收减少的太阳辐射能的时段期间，所述至少一个第一颗粒控制阀控制所述流动，使得所述第一室维持和允许被加热的颗粒材料束持续地流动经过所述第一管道，从而将热量传递至该第一管道。
9.根据权利要求6所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述至少一个第一颗粒控制阀控制所述颗粒材料从所述第一室到所述第二室的流动，以便控制在所述第一管道内产生的、再生和再热的蒸汽的量、温度、压力和强度中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述太阳能蒸汽发生与存储系统还包括设置在所述太阳能接收器中、接收来自所述第二存储室的颗粒材料的颗粒分离器。
11.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述太阳能蒸汽发生与存储系统还至少包括控制所述颗粒材料从所述第二存储室到所述太阳能接收器的流动的第二颗粒控制阀。
12.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，当所述热传递流体被加热且至少包括蒸汽时，所述系统还包括用于将所述蒸汽作为过程蒸汽提供给蒸汽涡轮机-发电机、石油化学品裂解塔以及蒸汽重整过程中的至少一个的导管。
13.根据权利要求1所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述颗粒材料由具有一定微粒大小的粒状颗粒构成，所述微粒大小选择为以便最大化热量存储，最小化所述微粒的表面区域与一般内部区域之间的温度差异。
14.根据权利要求13所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，进一步基于用于防止由于太阳能接收器处的风引起的微粒损失的空气动力学考虑，微粒热传送特性与密度以及包括材料成本和可用性的经济考虑中的至少一个来选择微粒大小。
15.一种太阳能蒸汽发生与存储系统，包括：
太阳能接收器，具有入口和出口，使得颗粒材料束从中流过并且吸收提供至所述太阳能接收器的太阳辐射能的热量；
具有接收来自所述太阳能接收器的被加热的颗粒材料束的入口的第一室；
设置在所述第一室中的第一管道，所述第一管道具有从中穿过的热传递介质，其中，在所述第一室中，所述被加热的颗粒材料束流动经过所述第一管道，从而将热量传递至所述热传递介质并且冷却所述被加热的颗粒材料束；
接收被冷却的颗粒材料束的第二室；和
联接在所述第一室与所述第二室之间、控制所述颗粒材料从所述第一室到所述第二室的流动的颗粒控制阀；以及
用于将所述被冷却的颗粒材料束传送至所述太阳能接收器的入口的运送导管；
其中，所述颗粒控制阀控制所述颗粒材料的流动，以便利用被加热的颗粒材料束填充所述第一室，以及在所述太阳能接收器处接收减少的太阳辐射能的时段期间继续加热所述第一管道。
16.根据权利要求15所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述热传递介质由水和蒸汽中的至少一种构成，并且当被加热时，由蒸汽、再热的蒸汽和过热的蒸汽中的至少一种构成。
17.根据权利要求15所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述颗粒材料由具有一定微粒大小的粒状颗粒构成，所述微粒大小选择为以便最大化热量存储，最小化所述微粒的表面区域与一般内部区域之间的温度差异。
18.根据权利要求17所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，进一步基于用于防止由于所述太阳能接收器处的风而引起的微粒损失的空气动力学考虑、微粒热传送特性与密度以及包括材料成本与可用性的经济考虑中的至少一个来选择所述微粒大小。
19.根据权利要求15所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述颗粒控制阀在接收增大的太阳辐射能的时段期间用所述被加热的颗粒材料束填充所述第一室。
20.根据权利要求15所述的太阳能蒸汽发生与存储系统，其特征在于，所述颗粒控制阀控制所述颗粒材料从所述第一室到所述第二室的流动，以便控制在所述第一管道内产生的、再生的和再热的蒸汽的量、温度、压力和强度中的至少一个。
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