CN102449302A - 用于蓄热的中压储存系统 - Google Patents

Abstract

在一些实施方式中，本发明提供一种设备。该设备可包括第一蒸汽机，中间储存装置和第二蒸汽机。第一蒸汽机可包括第一入口和第一排气口，其中，第一入口从热能源接收蒸汽。该中间储存装置可联接到第一排气口，其中，该中间储存装置储存由自第一排气口的蒸汽提供的热能。第二蒸汽机可包括联接到中间储存装置的第二入口。此外，第一蒸汽机和第二蒸汽机中的至少一个可做功。而且，第一蒸汽机可由从热能源接收的蒸汽驱动，且第二蒸汽机可由来自中间储存装置和第一排气口中的至少一个的蒸汽驱动。还描述了相关的设备和方法。

Description

用于蓄热的中压储存系统

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求以下临时申请的权益：在2009年3月26日提交的名称为“SLIDING INTERMEDIATE PRESSURE SYSTEM FOR THERMAL STORAGE WITH STEAM ENGINES OR TURBINES”的美国No.61/163,459，该申请以其全文引用的方式结合到本文中。

技术领域

本公开大体而言涉及太阳能收集。

背景技术

太阳能提供清洁能源的前景。为了开发这种能源，一种方案，此处被称作太阳热，使用太阳能量来加热通常为流体的物质，且然后将该热机械地转换为动力。但是，常常需要能在有太阳时俘获太阳能量，储存某些俘获的能量，且然后在稍晚的时间执行向动力的转换。为此目的，一些系统涵盖使用诸如熔盐的较麻烦且成本较高的储存机构。熔盐保持有阳光时所产生的热能，使得所储存的热能可用于在阳光不足发电时转换做功(例如，在阴天或者在夜晚)。

发明内容

在一些方面，提供一种设备。该设备可包括第一蒸汽机，中间储存装置和第二蒸汽机。第一蒸汽机可包括第一入口和第一排气口，其中，第一入口接收由热能源生成的蒸汽。中间储存装置可联接到第一排气口，其中，中间储存装置储存由来自第一排气口的蒸汽提供的热能。第二蒸汽机可包括联接到中间储存装置的第二入口。此外，第一蒸汽机和第二蒸汽机中的至少一个可做功。而且，第一蒸汽机可由热能源生成的蒸汽驱动，且第二蒸汽机可由自中间储存装置和第一排气口中的至少一个的蒸汽驱动。

应了解前文的一般描述和下面的详细描述只是示例性的和解释性的而不是限制性的。除了本文所陈述的那些之外还可提供另外的特征和/或变型。举例而言，本文所述的实施方式可针对于所公开的特征的各种组合和子组合和/或在发明详述中在下文所公开的若干另外特征的组合和子组合。

附图说明

在附图中：

图1描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合来产生动力的系统100的方块图；

图2A至图2C描绘了24小时周期的各种能量曲线；

图3、图4、图5A和图5B描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合来产生电力的系统的附加实例；

图5C描绘了被配置为控制一个或多个蒸汽机的控制器；

图6描绘了蒸汽机的实例；

图7A至图7E描绘了示功图；以及

图8描绘了蒸汽涡轮机与诸如单流蒸汽机的往复式蒸汽机的比较。

相同的附图标记用于指代附图中相同或相似的项目。

具体实施方式

本文所述的主题提供高压蒸汽机，低压蒸汽机，和位于高压蒸汽机与低压蒸汽机之间用于吸收和返回能量的中间储存装置。此外，高压蒸汽机和低压蒸汽机和中间储存装置一起在继续高效收集自入射阳光的能量的同时响应于需求变化提供动力。尽管本文所述的实例中的一些涉及单独的低压蒸汽机和高压蒸汽机，也可使用包括高压级和低压级的蒸汽机，且中间储存装置位于高压级与低压级之间。

图1描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合来产生动力（例如电力）的系统100的方块图。该系统100可包括太阳能收集器105、高压蒸汽机110、发电机115、用于储存系统100能量的中间储存装置120、低压蒸汽机125、发电机130、冷凝器135和储罐140。系统100的组件如图1所描绘的那样经由流体传递机构(诸如管道、管件、泵和类似物)联接且蒸汽机可经由诸如轴的机械传递机构连接到相应发电机。

太阳能收集器105可实施为能加热气体、固体和/或液体的任何装置。举例而言，太阳能收集器105可包括含诸如水、油等流体的管。流体可由镜反射或透镜集中的阳光加热。在某些情况下，热流体行进到热交换器，热交换器加热水，生成高压蒸汽。然后将高压蒸汽提供给高压蒸汽机110的入口。在用水作为直接由太阳能收集器加热的流体的实施方式中，由阳光给予的热将水转换成高压蒸汽，该高压蒸汽直接提供给高压蒸汽机110的入口。

尽管图1描绘了太阳能收集器105，也可使用其它非太阳能热源。非太阳能源可用作太阳能源的替代、补充或组合。

高压蒸汽机110可实施为任何类型的蒸汽机，包括往复式蒸汽机，诸如单式蒸汽机，复式蒸汽机、单流蒸汽机，通用单流蒸汽机和类似蒸汽机。高压蒸汽机110从太阳能收集器105所提供的高压蒸汽提取热能的一部分。举例而言，在高压蒸汽机110的进汽阶段，允许高压蒸汽进入到一个或多个缸内使得在膨胀阶段，蒸汽膨胀且驱动活塞。因此，从蒸汽提取能量。这种膨胀阶段可驱动活塞和联接的轴以驱动发电机115。膨胀阶段也可驱动其它负载，诸如泵或其它机构。

高压蒸汽机的配气相位（valve timing）可变化以维持入口处高压蒸汽的高压和高温(例如，太阳能收集器105和高压蒸汽机110被设计成高效操作的温度和压力水平)。维持例如高压蒸汽机110的入口处的蒸汽在高压和高温通常得到最大郎肯效率（Rankine efficiency），因此在系统100产生最大的平均动力量或发电量（amount of power）。

假定在高压蒸汽机110的入口处的蒸汽的质量流率在一天中变化(例如随着生成的热的量变化)，高压蒸汽机110调整配气相位以允许给定量蒸汽进入到高压蒸汽机110的缸内，从而维持入口在目标高压和高温范围。举例而言，配气相位控制在高压蒸汽机入口处的质量流率。通过改变在高压蒸汽机入口处的蒸汽质量流率(例如，通过改变允许进入到高压蒸汽机的缸内的蒸汽量)，在入口处的温度和压力可控制为目标压力和/或目标温度。举例而言，在高压蒸汽机110的入口处的温度可控制为维持在大约288摄氏度与316摄氏度之间的目标温度和大约38.3巴绝对与42.4巴绝对之间的目标压力。

尽管本文所述的实例中的一些改变阀的配气相位(例如，关闭)以改变质量流率，质量流率也可以其它方式变化。举例而言，高压蒸汽机110可改变每分钟的旋转来改变在给定时间间隔内允许进入到缸内的平均蒸汽量，从而控制高压蒸汽机的入口处的质量流率。此外，高压蒸汽机110可改变缸的可用体积来改变允许进入到缸内的蒸汽量，从而控制在高压蒸汽机入口处的质量流率。可例如通过改变允许蒸汽进入的缸数量来改变缸体积。举例而言，允许蒸汽进入的缸数量从1个缸增加到4个缸将增加质量流率。

高压蒸汽机110的排气具有通常低于入口的压力和温度。举例而言，高压蒸汽机110的排气可具有在大约2.5巴绝对与7.8巴绝对之间的压力和在大约127摄氏度与199摄氏度之间的温度。

发电机115和130可实施为能从机械动力产生电的任何装置。而且，发电机115和130可包括用于施加机械动力的机构，诸如驱动轴。举例而言，发电机115可联接到轴，该轴进一步联接到高压蒸汽机110。由高压蒸汽机110的活塞（一个或多个）来驱动轴。因此，随着高压蒸汽循环通过高压蒸汽机110，由高压蒸汽机的活塞（一个或多个）驱动轴以在发电机115处产生电。发电机130同样联接到低压蒸汽机125以产生电。

尽管图1描绘了单独的发电机115和130，单个发电机也可联接到蒸汽机110和125。当在这种情况下时，低压蒸汽机110和高压蒸汽机125可单个地或组合地施加动力给单个发电机。此外，在发电机（一个或多个）与高压蒸汽机和低压蒸汽机中的一个或多个之间的连接可包括离合器或其它机构来在该蒸汽机不用时使蒸汽机与发电机断开连接。在另一配置中，蒸汽机的一个或多个活塞可直接连接到线性发电机使得动力可从活塞传输到发电机而无需使用曲轴。

中间储存装置120储存由高压蒸汽机提供的自蒸汽排气的热能。中间储存装置120也可储存自热能源直接管道输送的蒸汽的能量而不会经过高压蒸汽机。中间储存装置120也可储存来自用于生成高压蒸汽机用的蒸汽的能源之外的能源的能量，诸如电能，其转换成热能且用于向中间储存装置120提供热。这种能量也可包括自发电设施或其它外部工艺的废弃或过剩能量，电的、热或化学的。当存在不足的阳光和/或当仅高压蒸汽机不能满足动力需求时，中间储存装置120可提供蒸汽源来驱动低压蒸汽机125。

中间储存装置120可实施为包含蓄热介质的容器，蓄热介质为诸如流体(例如，水、油等)、固体或包括相变材料的其它材料。

在一些实施方式中，中间储存装置120可使用水作为蓄热介质，在此情况下，中间储存装置120可不完全填充水182以允许一些空间183用于水182的液位上方饱和的蒸汽。的加压中间储存装置120可使得水182加热到远高于100摄氏度的温度，因此增加可储存于给定水质量中的能量的量。举例而言，可通过将排气蒸汽引入到中间储存装置120内水182的液位上方使得一些蒸汽在水182上冷凝来给予自高压蒸汽机110的排气所提供的热能。此外，可通过将排气蒸汽引入到中间储存装置120内水182的液位下方使得一些蒸汽在水182中冷凝来给予自高压蒸汽机110的排气所提供的热能。

从高压蒸汽机110的排气所提供的热能可由热交换器给予给蓄热介质(例如，水，油、熔盐、沙等)。举例而言，自高压蒸汽机110的排气的蒸汽可流到热交换器(其在下文中关于图5B描述)。由于热交换器由排气加热，热交换器加热包含于中间储存装置120中的蓄热介质。

中间储存装置120可适应高压蒸汽机110的蒸汽排气的最大饱和温度和压力。举例而言，中间储存装置120可能包含在大约127摄氏度与169摄氏度之间温度和高达大约7.8巴绝对压力的水和蒸汽，但中间储存装置120也可支持其它温度和压力。如果中间储存装置120直接联接到高压蒸汽机的入口，中间储存装置120将需要适应更高的温度和更高的压力。在一些实施方式中，高压蒸汽机110的排气的更低温度和更低压力使得更低重量和更低成本的容器能用作中间储存装置120。

当蒸汽从高压蒸汽机110的排气口流到中间储存装置120内时，中间储存装置120内的温度升高。另一方面，当由低压蒸汽机125从中间储存装置120提取能量时，在中间储存装置120内的温度降低。

低压蒸汽机125可实施为任何类型的蒸汽机，包括往复式蒸汽机，诸如单一蒸汽机，复合蒸汽机、单流蒸汽机，通用单流蒸汽机和类似蒸汽机。在一些实施方式中，低压蒸汽机125并不从太阳能收集器105直接获得蒸汽，而是从中间储存装置120获得蒸汽，其处于比太阳能收集器105提供的蒸汽更低的压力和更低的温度。低压蒸汽机125通常在高压蒸汽机单独不能满足动力需求时操作。举例而言，在夜晚，显然自太阳能收集器105不能提供蒸汽。当为这种情况时，低压蒸汽机125可使用自中间储存装置120的蒸汽操作来驱动发电机130。在白天，高压蒸汽机110可能不满足动力需求。这种需求的差额可由低压蒸汽机125来满足，低压蒸汽机125从中间储存装置120和/或高压蒸汽机110的排气口获得蒸汽。低压蒸汽机125添加其动力输出给高压蒸汽机的动力输出使得蒸汽机组合能使该系统100满足动力需求。

图1的冷凝器135可用于使自低压蒸汽机125的蒸汽排气冷凝。冷凝水可保持在储罐140内直到泵将水再循环回到太阳能收集器105。太阳能收集器105可加热再循环的水直接生成蒸汽，或者可加热流体，流体提供热给热交换器，在热交换器中，再循环的水转换成蒸汽。

为了说明系统100的操作，图2A至图2C描绘了在24小时周期的能量曲线。参看图1和图2A至图2C，千瓦需求线205描绘了由实体在给定24小时周期使用的能量的实例。随着在一整天中能量需求率变化，千瓦需求205在整个24小时周期变化。在210绘制了经由直接法向辐照(DNI)由太阳能收集器收集的能量。DNI 210描绘了从阳光得到的能量(例如，由于太阳的直接结果由太阳能收集器105生成的热能，而不是中间储存装置120)。

尽管图2A至图2C涉及DNI。也可采用其它太阳能收集机构。而且，图2A至图2C仅描绘了实例，因为也可使用其它能量预算/值。此外，图2A和图2C描绘了大小使得从阳光得到的总能量(扣除损失和低效)在24小时周期平均时大约等于在24小时周期平均的需求的实例。在其它情况下，该系统的大小可超过在典型24小时周期的需求以便在需要的情况下满足更大需求。一种系统的大小也可适于提供少于典型24小时周期的需求，且因此被设计成组合诸如电网的另一电源操作。一种系统可被配置为当系统可用电力超过局部负载需求时提供剩余电力给电网和当系统可提供的电力不满足局部负载需求时从电网取得额外电力。

图2B描绘了在24小时周期从中间储存装置120可得到的以千瓦时为单位的能量的曲线220。具体而言，曲线220描绘了可从中间储存装置120得到的千瓦时(保存用于当例如热能转换成电能时和当从DNI的能量转换成蓄热时出现的低效和损失)。

在24小时周期，在大部分时间，通常存在电力需求与自太阳能收集器可用的电力供应之间的失配。当经由DNI 210从太阳得到的供应超过需求205时，自太阳得到的供应的一部分用于满足该需求，且过量能量储存于中间储存装置120中。当需求205超过可从DNI 210得到的供应时，通过从中间储存装置120提取能量和将所提取的能量添加给从太阳得到的能量(若有的话)来满足需求差额从而产生满足需求的电力。在任何瞬时，通过组合自入射于太阳能收集器105的太阳能辐射得到的能量(其在210绘制)与从中间储存装置120获得的能量(其在215绘制)来满足需求205。

中间储存装置120的大小通常适于储存充分的能量来在每当电力需求超过太阳照耀时可从太阳能收集器105所得到的电力时满足24小时周期的电力需求。举例而言，中间储存装置120可在无太阳照耀的整个夜晚使用，如由图2A和图2C所描绘在0000点-0500点与2000点至2400点的时间。中间储存装置120也可在白天当需求205超过可从太阳能收集器105直接得到的能量时使用，如由曲线210所描绘。举例而言，当在白天在0500点与2000点之间，过量需求205或由太阳能收集器105的不足发电可能会造成从中间储存装置120抽取能量。

再次参看图2C，曲线图示出与图2A相同的24小时需求线210。但图2C也描绘了高压蒸汽机110的能量输出速率(标记为HP（高压）输出225)和低压蒸汽机125的能量输出速率(标记为LP（低压）输出230)。在白天早晨当中间储存装置120中的温度和压力相对较低时，在高压蒸汽机入口与排气口之间的温差和压差最大。因此，与白天晚些时候相比，高压蒸汽机110的动力输出可到达相对最大值。随着白天推进，且自高压蒸汽机的排气加热中间储存装置120，温差和压差从高压蒸汽机110的入口到排气口减小。因此，从高压蒸汽机110得到的可用动力减小。图2C描绘了自高压蒸汽机110的动力最初升高，在9AM与10AM之间达到最大值且然后减小。

当太阳照耀时，由低压蒸汽机125输出的动力可改变以补偿自高压蒸汽机输出的电力225与动力需求210之间的差异。举例而言，可改变低压蒸汽机125的配气相位以调整在进汽阶段期间进入一个或多个缸的蒸汽量。可缩短进汽阶段使得更少蒸汽被允许进入到缸内。当为这种情况时，从中间储存装置120消耗更少能量且生成更少动力来例如驱动发电机130。也可延长进汽阶段使得更多蒸汽被允许进入到缸内，其消耗自中间储存装置的更多能量且因此由发电机130生成更多电力。因此，通过改变配气相位的关闭（cutoff），控制自中间储存装置120的蒸汽质量流率，其控制由低压蒸汽机125和发电机130生成的发电量。

再次参看图1的系统100，满足需求205的动力通常为由高压蒸汽机110和低压蒸汽机125所产生的动力之和。举例而言，当太阳照耀时，在压力下将水泵送给太阳能收集器105，太阳能收集器105给水加热且生成蒸汽。之后，蒸汽提供给高压蒸汽机110的入口。高压蒸汽机110从蒸汽提取能量的一部分且允许蒸汽膨胀。这种膨胀通过移动高压蒸汽机110的一个或多个活塞而做功。这些活塞可移动轴，轴驱动发电机115。在膨胀之后，蒸汽排气仍包含有用能量(例如，在大约127摄氏度与199摄氏度之间的温度和大约2.7巴与7.8巴之间的绝对压力)。蒸汽排气提供给中间储存装置120。随着蒸汽进入中间储存装置120，大部分或全部蒸汽冷凝，从而升高了中间储存装置120内的温度和压力。蒸汽冷凝也会略微地增加中间储存装置120中的水的质量。在一些实施方式中，中间储存装置120可由包括太阳能收集器105的其它热源加热，在此情况下，可节流自太阳能收集器的高压蒸汽以能包含在中间储存装置120内。

当从中间储存装置120提取能量时，蒸汽(其在水位上方的空间183中包含于中间储存装置120中)在压力下提供给低压蒸汽机125的蒸汽入口。随着从中间储存装置120提取蒸汽，在表面沸腾(或“闪蒸”)的水生成更多蒸汽。低压蒸汽机125经由蒸汽膨胀从蒸汽提取能量。这种膨胀通过移动低压蒸汽机125的一个或多个活塞而做功。活塞可移动轴，轴驱动发电机130。然后自低压蒸汽机125的蒸汽排气进入冷凝器135，冷凝器135可实施为次大气压（sub-atmospheric）冷凝器。冷凝水可储存于冷凝器135或保持罐140中。在任何情况下，通过在压力下将水泵送到太阳能收集器105，冷凝水通过系统100再循环，在此时重复该过程。

当在太阳能收集器105处无直接阳光来提供太阳能时(例如，在夜晚或者当有云层时)，基本上所有的输出动态力由低压蒸汽机125提供。低压蒸汽机125如上文所述通过改变入口配气相位(在本文中也被称作“关闭（cutoff）”，“关闭%”和“关闭点”)来满足可变的需求。变化的配气相位使得在入口蒸汽在由中间储存装置120所提供的蒸汽的温度和压力范围内变化时低压蒸汽机125能满足变化的动力需求。入口配气相位确定允许多少蒸汽进入到低压蒸汽机125的一个或多个缸内。允许进入到低压蒸汽机125的缸内的蒸汽越多，在活塞上的平均压力就越大且因此所产生的动力就更大。然而，这是以中间储存装置120中水的压力和温度更大降低速率为代价。

图3描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合来产生动力(诸如电力)的系统300。该系统300在许多方面类似于系统100。但是，该系统300包括蒸汽机310A-D，其可驱动一个或多个发电机(未图示)来产生电力或者可直接驱动诸如机器的负载。蒸汽机310B中的每一个可包括一个或多个活塞，其最终驱动一个或多个轴来产生输出动力(例如，通过驱动一个或多个发电机)。

蒸汽机310A-D中每一个可以渐进更低压力和温度操作来提供多个级。术语“级”指一个缸或者具有相同或相似入口压力和相同或相似排气口压力的多于一个的缸，但该级也可由一个或多个蒸汽机构成。举例而言，蒸汽机310A可构成入口在相同或相似压力和温度(其在此实例中为由太阳能收集器105所提供的高压蒸汽的函数)的一个或多个缸的级。蒸汽机310A可实施为高压蒸汽机。蒸汽机310C可构成入口在相同或相似压力和温度(其在此情况下为由中间体收集器120所提供的蒸汽的函数)的一个或多个缸的另一级。这另一级可实施为低压蒸汽机。

蒸汽机310A的入口可从诸如太阳能收集器105的热能源接收蒸汽。蒸汽机310的排气可进入到再热器320内。再热器320用于升高蒸汽温度以减少和/或消除在蒸汽膨胀时在蒸汽中生成的潜在有害的水滴。

蒸汽机310B可从再热器320接收蒸汽且提供排气蒸汽到中间储存装置120。

蒸汽机310C使用自中间储存装置120的蒸汽操作。此外，蒸汽机310C的蒸汽排气被排到中间储存装置330。

蒸汽机310D使用自中间储存装置330的蒸汽能量操作。将蒸汽机310D的蒸汽排气输出到冷凝器135和罐140，罐140储存冷凝水直到水被泵送回到太阳能收集器105。泵312A-B在系统300中再循环水和/或蒸汽。

图4描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合来发电的系统400。该系统400在许多方面类似于系统100和300。但是，该系统400描绘了使用多个低压蒸汽机125和410和单个高压蒸汽机110。在一些配置中，可使用多个高压蒸汽机。此外，低压蒸汽机125和410可使用自中间储存装置120的蒸汽单独操作或者组合地操作。举例而言，当需要自低压蒸汽机125和410的低输出动力时，低压蒸汽机之一可停机(或者由其它机构抑制)。在图4中所描绘的蒸汽机110、125和410各被配置为具有六个缸，但也可使用其它缸配置。在使用六缸蒸汽机配置的一些实施方式中，两个缸可利用直接施加到这两个缸上的高压蒸汽操作。四个其余缸可使用自前两个缸的蒸汽排气来操作。在蒸汽穿过每个缸时(和在该缸中相对应的膨胀阶段)，蒸汽的压力和温度降低。在此实例中，两个较高压力的缸包括一个膨胀级且四个较低压力的缸包括另一膨胀级。在图4所描绘的系统400的实施方式中，存在四个膨胀级。

在系统400的一些实施方式中，自高压蒸汽机110的前两个缸的排气联接到再热器320的输入。再热器320加热排气蒸汽以减少和/或消除在蒸汽膨胀时在蒸汽中生成的水滴。

图5A描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合的系统500。该系统500在许多方面类似于系统100、200、300、400。但是，该系统500包括具有多个级(在本文中也被称作膨胀级)的仅单个蒸汽机510。蒸汽机510包括对应于入口520A-F的多个缸，每个缸联接到具有至少一个缸的相对应的级。到入口520B-F中每一个的蒸汽输入可由控制阀，诸如控制阀530A-E来选择。通过关闭控制阀530A-E中特定一个，在入口520B-F处的蒸汽源可选择为自太阳能收集器105的高压级入口，自高压级缸的排气的低压级入口，或者为自中间储存装置120的低压级入口。

阀540A-E可将自选为高压级缸的缸的排气蒸汽联接到低压级缸的入口或者到中间储存装置120。阀540A-E也可将自低压级缸的排气联接到冷凝器135。

蒸汽机510的第一级可以利用在太阳能收集器105所供应的蒸汽的高压和高温下操作的多种缸(例如，一个至五个)来操作。举例而言，由太阳能收集器105供应的高压和高温蒸汽进入到入口520A。在入口520A处缸的膨胀阶段之后，蒸汽作为排气在535A处输出。在535A处的蒸汽排气提供给中间储存装置120用于加热和储存。第二级包括在入口520B-F的其余缸，其作为低压蒸汽机经由连接件560和控制阀530B-E中的一个或多个(其控制到相对应的入口520B-F内的蒸汽流量)自中间储存装置120操作。

尽管图5A描绘了蒸汽机具有给定数量的级和中间储存装置，但也可使用其它数量的级、缸、蒸汽机和中间储存装置。

图5B描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合来产生动力(诸如电力)的系统900的方块图。该系统900包括热交换器910A-B。自高压蒸汽机110的排气口的蒸汽提供给包含于中间储存装置120内的热交换器910A。热交换器910A加热热介质930(例如，水，油、沙和类似物)。被加热的热介质930提供热给热交换器910B，热交换器910B可包括改变状态为蒸汽的流体。蒸汽流到低压蒸汽机125的入口。在中间储存装置120的热交换器910A-B使得能使用多种蓄热介质，包括水、沙、混凝土、熔盐、金属和/或任何其它材料。举例而言，蒸汽自高压蒸汽机110的排气口流到热交换器910A。因此，热交换器910A加热蓄热介质930。然后使热交换器910A的其余蒸汽返回到太阳能收集器105。另一热交换器910B可包括水，其在由蓄热介质930加热时转变为蒸汽。蒸汽从热交换器910B流到低压蒸汽机125的入口。

图5C描绘了使用低压蒸汽机和高压蒸汽机和中间储存装置的组合来产生动力(诸如电力)的系统1000的方块图。图5C还描绘了控制器596。控制器596匹配系统1000的输出以满足表示在时间上（in time）在给定瞬时对动力需求的负载597。控制器597可作为控制环路操作以确定在给定瞬时由该负载所需的动力，确定由高压蒸汽机110和低压蒸汽机125的组合所生成的动力，且然后控制低压蒸汽机使得高压蒸汽机和低压蒸汽机的组合输出在给定瞬时满足负载。此外，控制器596可通过控制在低压蒸汽机的质量流率来控制低压蒸汽机125。具体而言，控制器596可因此在满足该负载所需的动力方面来控制低压蒸汽机125。控制器596也可控制高压蒸汽机来维持高压蒸汽机110入口处的目标温度和目标压力。控制器596因此可控制高压蒸汽机110以主要维持在目标温度和在高压的目标压力，与该负载相关性不大。

控制器596可以多种机构来实施。举例而言，控制器596可包括至少一个处理器和至少一个储存器，其被配置为控制系统1000的一个或多个方面。举例而言，控制器596可从系统1000的一个或多个组件接收信息以控制低压蒸汽机和高压蒸汽机，如本文所述的那样。

在一些实施方式中，本文所述的蒸汽机可实施为单流蒸汽机和/或通用单流蒸汽机，但也可使用其它类型的往复式蒸汽机。一种往复式蒸汽机包括至少一个缸和活塞。下文提供关于使用诸如单流蒸汽机和/或通用单流蒸汽机这样的往复式蒸汽机的一些实施方式的附加描述。

图6描绘了单流蒸汽机600的实例。单流蒸汽机包括入口605A-B，在阀610A-B(其可以各种方式实施，诸如提升阀、单层提升阀、双层提升阀或活塞阀)的控制下，蒸汽通过入口605A-B流动(例如，自太阳能收集器105)。蒸汽在排气阶段通过端口625和辅助排气端口690A-B排出。当阀610B打开时，允许蒸汽进入到缸的上腔670内，且然后阀610B关闭使得蒸汽膨胀且下推活塞605。当活塞揭开排气端口625时，蒸汽作为排气蒸汽排出。

在活塞揭开排气端口625的大约同时，打开辅助排气阀695B，使得当活塞向上行进时，蒸汽作为排气蒸汽通过辅助排气端口690B继续排出。大约在活塞覆盖辅助排气端口690B时，辅助排气阀695B关闭使得蒸汽并不通过在活塞605的向下动力冲程上的辅助排气端口690B排出。该活塞可为双作用的，使得当活塞大约在其行程下端时，入口阀610A打开以允许蒸汽进入缸的下腔660内。之后，阀610A关闭使得蒸汽膨胀且推动活塞605，当活塞揭开排气端口625时，蒸汽作为排气蒸汽排出。

在活塞揭开这排气端口625的大约同时，打开辅助排气阀695A且蒸汽作为排气蒸汽通过辅助排气端口690A继续排出。大约在活塞覆盖辅助排气端口690A时，辅助排气阀695A关闭使得蒸汽并不通过在活塞605的向上动力冲程上的辅助排气端口690A排出。对于动力冲程，入口阀610B和610A分别对于动力冲程的一部分保持打开，然后关闭以允许蒸汽膨胀。允许进入缸的蒸汽质量是可变的，且通过改变阀610A-B的闭合的配气相位而受到控制。阀闭合的配气相位被称作关闭。

当活塞605打开端口625时且辅助排气阀690A-B打开时，在660或670中的蒸汽通过端口625和/或辅助排气端口690A-B排出。当入口阀610A-B关闭与当排气端口625和690A-B打开之间的这蒸汽膨胀导致比提供给入口605A-B的蒸汽具有更低温度和压力的蒸汽。

图7A至图7E描绘了用于蒸汽机的示功图。示功图绘制了缸压力与缸中活塞位置的关系。活塞的零位置为缸体积是空隙体积(例如，当活塞靠近头部时)的位置且0.2米位置指示活塞从头部移动0.2米(例如，0.2米表示活塞605从图6中其冲程顶部向下移动0.2米)。面积705A-E中每一个与从蒸汽(其被允许进入缸内)传递到活塞的能量成正比。仅向下(例如，在图6的右边)动力冲程和向上(例如，在图6的左边)排气冲程在下文中描述，但向上动力冲程和向下排气冲程可以示功图来表示。

在710A处描绘了恒定高压。当入口阀610A打开且活塞605远离缸头部移动时这种恒定高压继续。随着活塞605移动，进来的蒸汽保持蒸汽压力恒定直到入口阀610A开始关闭。在712A描绘了从完全打开的入口阀610A过渡到关闭的入口阀。当入口阀610A关闭时，在缸中的蒸汽压力降低。当活塞605揭开单流排气端口625和/或辅助排气阀690B时，蒸汽排气和压力降低到基本上等于该排气压力的值。压力降低速率取决于端口625和/或辅助排气阀690B打开多少。压降速率也取决于在缸620与排气口之间的剩余压差。

在单流排气端口625由于活塞605返回而关闭时辅助排气阀690B打开。随着活塞朝向缸头部往回移动，蒸汽排气在很接近排气管压力的压力。随着活塞覆盖辅助排气端口690B，缸压力升高。当辅助排气端口690B由活塞完全覆盖时，随着活塞压缩缸中的剩余蒸汽，缸中压力迅速地升高直到活塞到达靠近缸头部的点，如由706A-E所示的那样。

在图7A至图7E处的示功图提供可用于判断蒸汽机600的入口阀何时关闭以在供应压力(例如，自中间储存装置120)较宽变化的情况下提供相对恒定动力输出的信息。在示功图7A至7C中，蒸汽完全膨胀，因此提取了蒸汽中可用的大部分能量。当蒸汽完全膨胀时，提取能自蒸汽提取的基本上所有能量。如果膨胀不完全，从蒸汽提取较少动力。图7D至图7E描绘了不完全膨胀。图7D至图7E还描绘了关闭的增加如何剧烈地增加高压和中压蒸汽机级输出。当使用一个蒸汽机、两个蒸汽机或更多蒸汽机时变化甚至更大。

示功图也可用于确定在入口配气相位变化时自高压蒸汽机的预期动力输出。此外，示功图可用于确定流入到高压蒸汽机内的蒸汽的质量流率以便维持入口压力和入口温度在所需操作范围内，而不管由太阳能收集器105收集热的速率如何。

图8描绘了对于本文所述的往复式蒸汽机(在815绘制)和蒸汽机(在810绘制)动力与等熵效率的比较。尽管810和815可以低至额定功率的20%运行，在20%蒸汽涡轮机的等熵效率仅为38%，而往复式蒸汽机具有55%的等熵效率。蒸汽涡轮机具有随着动力输出斜坡上升到在100%功率高达最大57%的等熵效率而稳定地增加的等熵效率。往复式蒸汽机在额定功率70%具有最大刚好低于84%的等熵效率，但在45%至95%额定功率维持高于80%的等熵效率。此外，往复式蒸汽机815的等熵效率对于35%至120%的额定功率高于70%。

尽管可使用多种蒸汽机，但往复式蒸汽机能控制蒸汽输入的质量流率，且因此控制动力输出和/或上游压力(其通常在很宽变化的入口和排气温度和压力下)，其使得蒸汽机与中间储存装置的组合能操作以提供可改变以匹配每天24小时变化动力需求的动力，尽管由热能源提供能量的速率很少匹配需求速率。

图1至图8只是可包括于其中的其它配置和元件的实例。举例而言，尽管图1描绘了太阳能收集器105联接到高压蒸汽机110的入口，其它装置，诸如热交换器和类似装置也可存在于该路径中。

上文的描述预期说明本发明但不限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求的范围限定。其它实施例在下文的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种设备，包括：

第一蒸汽机，其包括第一入口和第一排气口，其中，第一入口从热能源接收蒸汽；

中间储存装置，其联接到第一排气口，其中，所述中间储存装置储存由自第一排气口的蒸汽提供的热能；以及，

第二蒸汽机，其包括联接到所述中间储存装置的第二入口。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一蒸汽机和所述第二蒸汽机中的至少一个做功，所述第一蒸汽机由从热能源接收的蒸汽驱动，且所述第二蒸汽机由自所述中间储存装置和第一排气口中的至少一个的蒸汽驱动。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热能源生成蒸汽，且所述热能源包括太阳能收集器和热交换器中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热能源无关于动力需求而变化。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中间储存装置联接到所述热能源。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一蒸汽机的配气相位、每分钟的旋转、缸数量和蒸汽机数量中的至少一个变化，所述变化在所述第一入口处维持所述接收的蒸汽的目标温度和目标压力。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，配气相位、每分钟的旋转、缸数量和蒸汽机数量中的至少一个变化以控制在所述第一入口处从所述热能源接收的蒸汽的质量流率。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述第一蒸汽机的第一入口处控制第一质量流率，且控制所述第一质量流率以维持入口蒸汽在第一温度范围和第二压力范围中的至少一个内。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，基于所述中间储存装置的温度和所述中间储存装置的压力中的至少一个且基于自所述第二蒸汽机的所需动力输出来控制所述第二蒸汽机的第二质量流率。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中间储存装置包含用于储存所述热能的水。

11.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，自所述第一排气口的蒸汽喷射到由所述中间储存装置包含的水内，在所述蒸汽冷凝为水时所述蒸汽给予热能给所述水。

12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，当从所述中间储存装置提取蒸汽时，在所述中间储存装置中的水沸腾以生成更多蒸汽。

13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中间储存装置包含液体、固体和气体中的至少一种，且所述液体、固体和气体中的该至少一种储存热能。

14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，产生的动力为所述第一蒸汽机与所述第二蒸汽机中的至少一个的组合，其中，所述产生的动力满足需求，且由所述热能源提供的用于产生动力的能量速率并不与需求匹配。

15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一蒸汽机被实施为往复式蒸汽机。

16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第二蒸汽机被实施为往复式蒸汽机。

17.一种设备，包括：

至少一个储存器；和

至少一个处理器，其中所述至少一个储存器和所述至少一个处理器被配置为提供包括下列的操作：

确定表示满足负载的第一动力量的值；

基于由第一蒸汽机和第二蒸汽机所生成的动力来确定第二量；以及，

基于所述第二量在满足所述负载所需的第一动力量方面控制所述第二蒸汽机。

18.一种方法，包括：

在第一入口从热能源接收蒸汽，所述蒸汽驱动第一蒸汽机，所述第一蒸汽机包括所述第一入口和第一排气口；

从所述第一排气口向中间储存装置提供蒸汽，其中，所述中间储存装置储存由自所述第一排气口的蒸汽所提供的热能；以及

在第二入口从所述中间储存装置接收蒸汽，所述蒸汽驱动第二蒸汽机，所述第二蒸汽机包括所述第二入口。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于还包括：

在满足负载所需的第一动力量方面控制所述第二蒸汽机。

20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由不同于所述热能源的另一能源来加热所述中间储存装置。

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