CN102859190A - 太阳能热力发电设备 - Google Patents

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Abstract

公开了产生用于发电的过热蒸汽的方法。该方法包括：(a)将供水预热到低于其沸点的温度；(b)煮沸预热的供水，以产生蒸汽；及(c)使所述蒸汽过热。供水通过与传热流体的热交换而被煮沸，所述传热流体通过第一太阳辐射吸收装置所收集的热来加热。此外，预热和过热中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。本发明还涉及用于产生用于发电的过热蒸汽的装置。该装置包括：(1)用于产生过热蒸汽的过热蒸汽产生部分，其包括：(a)用于将供水预热到低于其沸点的温度的预热器区域；(b)预热器区域下游的锅炉区域，用于煮沸预热的供水以产生蒸汽；及(c)锅炉区域下游的过热器区域，用于使蒸汽过热；及(2)传热流体部分，其包括用于加热传热流体的第一太阳辐射吸收装置且被配置成将来自加热的传热流体的热传递到锅炉区域中的供水。预热器区域和过热器区域中的一个或另一个包括用于直接加热供水或蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置，或其中预热器区域和过热器区域中的每一个包括用于分别直接加热供水和蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置。

Description

太阳能热力发电设备
本发明涉及太阳能热力发电设备且涉及用于操作太阳能热力发电设备的方法。
发明背景
在已知的太阳能设备系统中，用传热流体回路来收集太阳的能量且使过热蒸汽升温，以驱动兰金循环发电组(Rankine cycle power block)。这样的系统的实例被公开在WO-A-2009/034577中。在WO-A-2009/093474中可以发现这样的系统的另一个实例。
在另一种已知配置中，直接在一个或多个太阳能吸收装置中使过热蒸汽升温。这样的配置显示在EP-A-1890035中，其中用抛物槽式集热器(parabolic trough collector)来产生饱和的或稍微过热的蒸汽，且用具有定日镜场和中心塔的三维太阳能集热器来使在抛物槽式集热器中产生的蒸汽过热。
FR-A-2450363公开了太阳能发电设备的实施方式，其中直接在太阳能集热器中使水升温成蒸汽。蒸汽通过与热传热流体的热接触而被过热，所述传热流体已在塔式太阳能集热器中被加热。过热蒸汽用于驱动汽轮机。
发明概述
本发明是对上文所提及的已知系统的改进，且涉及用于蒸汽产生的传热流体回路与供水预热阶段和蒸汽过热阶段的组合，其中传热流体通过在第一太阳辐射吸收装置中收集的热来加热，其中预热阶段和过热阶段中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接太阳能加热来进行的。这种组合通过匹配水的焓曲线但不收缩(pinch)来改进热效率，且消除了与直接蒸汽产生系统中的两相流动相关联的问题。由于减少了传热流体回路尺寸和发电组(power block)复杂性，所以可以降低设备资本成本。
因此，根据本发明的第一方面，提供一种产生用于发电的过热蒸汽的方法，该方法包括：
(a)将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)煮沸预热的供水，以产生蒸汽；及
(c)使蒸汽过热；
其中供水通过与传热流体的热交换而被煮沸，传热流体已通过第一太阳辐射吸收装置中所收集的热来加热；
且其中预热和过热中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。
根据本发明的第二方面，提供一种用于产生用于发电的过热蒸汽的装置，该装置包括：
(1)过热蒸汽产生部分，其用于产生过热蒸汽，包括：
(a)预热器区域，其用于将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)锅炉区域，其在预热器区域下游，用于煮沸预热的供水以产生蒸汽；及
(c)过热器区域，其在锅炉区域下游，用于使蒸汽过热；及
(2)传热流体部分，其包括用于加热传热流体的第一太阳辐射吸收装置且被配置成将来自加热的传热流体的热传递到锅炉区域中的供水；
其中预热器区域和过热器区域中的一个或另一个包括用于直接加热供水或蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置，或其中预热器区域和过热器区域中的每一个包括用于分别直接加热供水和蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置。
根据本发明的该方面的装置可以用在产生用于发电的过热蒸汽的方法中，该方法包括：
(a)在预热器区域将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)在锅炉区域煮沸预热的供水，以产生蒸汽；及
(c)在过热器区域中使蒸汽过热；
其中供水在锅炉区域中通过与传热流体的热交换而被煮沸，传热流体已通过第一太阳辐射吸收装置所收集的热来加热；
且其中预热和过热中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。
根据本发明的第三方面，提供包括以下的发电方法：
通过根据本发明的第一方面的方法，产生过热蒸汽；及
将过热蒸汽供给到汽轮机中，用于发电。
根据本发明的第四方面，提供包括以下的太阳能发电设备：
根据本发明的第二方面的用于产生过热蒸汽的装置；及
汽轮机，其被配置成接收来自用于产生过热蒸汽的装置的过热蒸汽且能够发电。
根据本发明的第五方面，提供操作根据本发明的第四方面的太阳能发电设备的方法，该方法包括：
在传热流体部分的第一太阳辐射吸收装置中加热传热流体(HTF)；
在过热蒸汽产生部分中，从供水产生过热蒸汽；及
将过热蒸汽供给到汽轮机，用于发电；
其中用于供应到汽轮机的过热蒸汽在包括以下的至少三个加热阶段中从供水中产生：
(a)预热阶段，在该预热阶段中在预热器区域将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)煮沸阶段，在该煮沸阶段中在锅炉区域煮沸预热的供水，以产生蒸汽；及
(c)过热阶段，在该过热阶段中在过热器区域使蒸汽过热；
其中供水在锅炉区域中通过与传热流体的热交换而被煮沸，传热流体已通过第一太阳辐射吸收装置所收集的热来加热；
且其中预热和过热中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。
本发明还可以应用到除水以外的其它工作流体，在这种情况下，本文对“供水”的提及是指“工作流体液体”且对“蒸汽”的提及是指“工作流体蒸汽”。然而，本文将参考为水的供水来描述本发明。
附图简述
图1是根据本发明的太阳能热力发电设备的示意图。
发明详述
本发明的装置是至少部分地用太阳辐射产生过热蒸汽的装置，其中太阳辐射被收集在太阳辐射吸收装置中。过热蒸汽可用来以熟知的方式来发电。
装置包括用于产生过热蒸汽的蒸汽产生部分。蒸汽产生部分包括：
(a)预热器区域，其用于将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)锅炉区域，其在预热器区域下游，用于煮沸预热的供水以产生蒸汽；及
(c)过热器区域，其在锅炉区域下游，用于使蒸汽过热。
预热器区域、锅炉区域和过热器区域彼此流体相通，因此，供水可以从预热器区域流到锅炉区域，且蒸汽可以从锅炉区域流到过热器区域。
装置还包括传热流体部分，所述传热流体部分包括用于加热传热流体的第一太阳辐射吸收装置。装置被配置成允许来自加热的传热流体的热传递到锅炉区域中的供水。
预热器区域和过热器区域中的一个或另一个可以包括用于直接加热供水或蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置。可选择地，在一个实施方式中，预热器区域和过热器区域中的每一个包括分别用于直接加热供水和蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置。
关于“直接加热”，是指与间接加热相反，相应的流体(液体水或蒸汽)通过与太阳辐射吸收装置中的热元件的直接接触而被加热，其中用至少一种传热流体来携带来自太阳辐射吸收装置的热且在热交换器单元中将热传递到相应的流体(液体水或蒸汽)中。
表述“预热器区域”是指蒸汽产生部分中的在其中预热供水的一个或多个区域。通常，一个或多个预热器区域形成为一个或多个专用预热器单元中的区域，所述区域或每一个区域具有用于接纳供水的入口和用于排出预热的供水的出口。
在本发明的一个实施方式中，预热器区域可以包括一个或多个太阳辐射吸收装置，在其中将供水直接加热到低于其沸点的温度。
在另一个实施方式中，预热的水可以通过与加热的传热流体的传热接触而被加热，传热流体已通过太阳能加热。
在本发明的另一个实施方式中，预热器区域可以包括通过非太阳能方式加热的加热器元件。例如，加热器元件可以通过由烃类燃料的燃烧产生的热来加热。燃料可以是常用的化石燃料，或可以是生物燃料或生物质材料。可选择地，可以通过来自另外的设施的余热来加热加热器元件。
供给到预热器区域的液体水的压力可以为至少50巴，且通常为小于200巴。通常，液体水的压力为75-140巴。供给到预热器区域的水的温度通常将是来自冷凝器的冷凝水的温度，且因此，例如温度可以在25-80℃的范围内，例如约为50℃。
在预热器区域中，将供水预热到低于其沸点的温度，用于供给到锅炉中。对沸点的提及是指供水在其供给到锅炉的相应压力下的沸点。例如，供水可以低于沸点以下100℃的温度，或低于沸点以下50℃的温度，或低于沸点以下20℃的温度，或低于沸点以下10℃的温度，或低于沸点以下5℃的温度供给到锅炉中。在一个实施方式中，以沸点以下约1-2℃的温度，将供水供给到锅炉中。
作为供水压力是在75-140巴的范围内的另外的实例，在预热器区域中，可以将供水加热到在250-335℃范围内的温度。
表述“锅炉区域”是指蒸汽产生部分中的在其中煮沸供水的一个或多个区域。通常，锅炉区域是具有用于接纳预热的水的入口和用于排出蒸汽的出口的锅炉装置区域。
在锅炉区域中，使预热的水与传热流体传热接触，传热流体已经在传热流体部分中被加热。例如，至少一个热交换器可以定位在锅炉区域中，用于与锅炉区域中的供水接触。经加热的传热流体流过至少一个热交换器，由此使热从传热流体传递到供水，足以煮沸供水且放出蒸汽。
表述“过热器区域”是指蒸汽产生部分的在其中使锅炉区域中放出的蒸汽过热到超过由其产生蒸汽的供水的沸点的一个或多个区域。一个或多个过热器区域可以形成为一个或多个专用过热器单元的区域，所述区域或所述区域中的每一个具有接纳在锅炉区域中产生的蒸汽的入口和用于排出过热蒸汽的出口。例如，在一个实施方式中，过热器区域可以包括一个或多个太阳辐射吸收装置，其中蒸汽通过与太阳辐射吸收装置中的加热器元件接触而被直接加热，以使蒸汽过热。在另一个实施方式中，过热器区域可以包括通过非太阳能方式加热的加热器元件。例如，加热器元件可以通过经由烃类燃料的燃烧产生的热来加热。例如，燃料可以是常用的化石燃料，或可以是生物燃料或生物质材料。在另外的实施方式中，过热器区域可以包括一个或多个太阳辐射吸收装置和一个或多个非太阳能加热装置的组合，非太阳能加热装置比如用于化石燃料或其它材料的燃烧的燃烧器。装置可以串联布置，使得最初的过热在一个或多个太阳辐射吸收装置中进行，且另外的过热在一个或多个非太阳能加热装置中进行。
本发明的实施方式的实例如下：
供水在预热器区域中通过与太阳能吸收装置中的加热器元件直接接触而被加热，且来自锅炉区域的蒸汽在过热区域中通过与太阳能吸收装置中的加热器元件直接接触而被过热。
供水在预热器区域中通过与太阳能吸收装置中的加热器元件直接接触而被加热，且来自锅炉区域的蒸汽在过热区域中通过来自传热流体的传热而被过热。
供水在预热器区域中通过与太阳能吸收装置中的加热器元件直接接触而被加热，且来自锅炉区域的蒸汽在第一过热区域中通过来自传热流体的传热而被过热，且通过与太阳能吸收装置中的加热器元件直接接触而被进一步加热。
将来自经加热的HTF的热传递到供水可以通过经加热的HTF和供水之间的直接或间接的热接触来完成，正如例如在热交换系统中。例如，可以使经加热的HTF经由合适的热交换系统与锅炉中的供水进行直接的热接触。可选择地，传热可以通过经加热的HTF和供水之间的间接热接触来完成，正如例如通过(在合适的热交换系统中)接纳来自经加热的HTF的热且通过合适的热交换系统将热传递到锅炉中的供水的辅助传热流体。在这样的可选择的布置中，在热传递部分中的太阳能吸收装置中加热的HTF不与锅炉中的供水热接触；相反，接触锅炉中的供水的是辅助传热流体。目前认为，这个实施方式可能是较低效率的，因为一些热损失将不可避免地导致经加热的HTF和辅助传热流体之间的热交换。
在前述热交换系统中，热可以通过传导或对流在流体之间传递。合适的热交换系统是已知的，且可以包括一个或多个热交换单元及合适的连接线路(circuitry)和部件。
在本发明的一个实施方式中，通过从经加热的HTF传递的热，可以使蒸汽在过热区域中至少部分地过热。这与用于煮沸锅炉中的供水的HTF可以是相同的或不同的。在一个实施方式中，用于煮沸供水的相同HTF被用于使来自锅炉区域的蒸汽过热。在这个实施方式中，在HTF与供水进行传热接触之前，HTF可以流动以与蒸汽进行传热接触。以这种方式，相比于HTF与锅炉区域中的供水进行传热接触时的温度，在HTF与蒸汽进行传热接触时，HTF处于更高的温度。
其中相同的传热流体被用于煮沸供水且使在锅炉区域中放出的蒸汽至少部分过热的实施方式的特征为过热区域可以被设置成紧靠锅炉区域，使得在锅炉区域中放出的蒸汽与传热流体立即接触且被过热到超过其沸点。以这种方式，可以直接避免水的液滴在锅炉区域的下游形成。例如，蒸汽可以过热至少1℃，或可以过热至少5℃，或可以过热至少10℃，或可以过热至少20℃，或可以过热至少50℃，或可以过热至少100℃。可以基于传热流体的温度和传热流体的冷却度来选择过热度，传热流体与能够在锅炉区域中执行煮沸供水的功能的传热流体是一致的。例如，当相互传热接触时，过热度可以通过控制传热流体和蒸汽的流动速率来控制。具有相对较高的焓每单位质量流体的传热流体或具有相对较高的最高操作温度的传热流体，或两者可以特别适合用于以下实施方式中：其中传热流体被用于使锅炉中放出的蒸汽至少部分地过热。例如，与具有相对较低的焓每单位质量流体的传热流体相比，对于相同的冷却度，具有相对较高的焓每单位质量流体的传热流体能够将更多的热能传递给蒸汽，用于过热的目的。与具有相对较低的最高操作温度诸如400℃的传热流体相比，具有相对较高的最高操作温度诸如430℃的传热流体能够使蒸汽过热到更高的温度。
在过热区域使蒸汽部分过热的本发明实施方式中，可以在过热区域中通过在太阳辐射吸收装置中直接加热来使蒸汽进一步过热。这使得蒸汽能够被过热到充分高的温度以能够有效地发电。例如，在过热器区域中，对于在75-140巴范围内的压力，蒸汽可以被过热到450-600℃范围内的温度。可能期望采用太阳辐射吸收装置和非太阳能加热装置的组合，以在过热器区域中使蒸汽过热，非太阳能加热装置比如用于化石燃料、生物燃料或生物质材料的燃烧器。在某些情况下，可能，使用太阳热能的最高可实现温度低于用于汽轮机效率的最佳温度。可选择地，如果最佳温度可以用太阳能技术来实现，那么这并不代表最有效率的加热机制。例如，可以采用塔式太阳能加热装置，以使蒸汽过热到用于汽轮机效率的最佳温度，最佳温度可以为例如大约550℃。然而，用太阳能塔来过热的最后60℃可能会带来了非常高的成本，因为随着温度的增加，更大量的热被辐射回到环境中。因此，可能期望组合太阳能加热方式和非太阳能加热方式以实现期望的过热温度。例如，大多数的过热可以用太阳能发电塔，采用可再生能源来实现，且仅仅采用化石燃料或生物质来实现过热的最后60-80℃。可以采用太阳能装置和非太阳能装置的任何合适的组合，来以最有效的方式实现期望的过热温度。
在本发明的实施方式中，过热的蒸汽在汽轮机中和/或在与汽轮机相关联的冷凝器中冷凝，以使供水再生用于再循环到蒸发阶段(任选地在第三太阳能吸收装置中预热之后)且随后再循环到过热阶段。在这个实施方式中，蒸汽产生部分通常与汽轮机处于流体回路中，且供水被反复再生、转变成过热蒸汽状态和供给到汽轮机中，用于发电。这是典型的兰金循环发电组的布置。这种流体回路可以由管道、管子或其它通道形成部件的网络形成，且可以包括额外的部件诸如储器、阀和其它装置，用于容纳和控制流体在回路中的流动。例如，可以在流体回路中设置一个或多个泵，用于使流体在回路中流体地循环。可以设置阀或其它流动调节装置，以控制流体在回路中的流动。
流体回路通常是闭合回路，尽管可以进行补充，用于补足回路中的供水。
在蒸汽产生部分的至少一部分上方，供水相对于大气压通常是加压的。例如，供水可以在供给到预热器区域之前被加压，且然后维持在锅炉上游的压力下，用于将压力下的过热蒸汽供给到汽轮机中。
在汽轮机中，蒸汽的压力至少部分地释放，且蒸汽可以至少部分地冷凝。可以设置一个或多个冷凝器，其中来自汽轮机的蒸汽被冷凝成流体。与用于供给到预热器区域的供水的压力相比，紧接汽轮机(及与汽轮机相关联的任何冷凝器单元)的下游的液体处于低的压力下(例如低于大气压的压力下)，且因此可以设置泵或其它加压装置，以对用于供给到预热器区域的供水加压。
在本发明的实施方式中，可以串联或并联设置多于一个汽轮机。
汽轮机可以以熟知的方式用于在与汽轮机耦合的发电机中发电。
在一个实施方式中，传热流体部分可以为流体回路，其中HTF循环通过太阳能吸收装置，以加热HTF。在太阳能吸收装置的下游，流体回路与蒸汽产生部分中的锅炉区域交叉，其中热从经加热的HTF传递到供水，以形成蒸汽。通常，可以设置一个或多个热交换器，用于将来自经加热的HTF的热传递到供水。在热交换器中，经加热的HTF被冷却且供水被加热到汽化的温度。然后，冷却的HTF在流体回路中返回，以在太阳能吸收装置中被重新加热。流体回路通常是闭合的，尽管在需要的时候，可以进行补充，用于补足回路中的HTF。
HTF流体回路可以由管道、管子或其它通道形成部件的网络形成，且可以包括额外的部件诸如储器、阀和其它装置，用于容纳和控制HTF在回路中的流动。例如，可以在流体回路中设置一个或多个泵，用于使HTF在回路中流体地循环。可以设置阀或其它流动调节装置，以控制流体在回路中的流动。
在实施方式中，在HTF部分的至少一部分上方，HTF可以相对于大气压力被加压，以防止HTF在太阳能吸收装置中的沸腾。在实施方式中，由于在传热流体回路中的压力损失，可以在锅炉的下游设置泵或其它加压装置，以在供给到太阳能吸收装置之前，给HTF加压。
本发明中可使用任何合适的传热流体。典型的传热流体包括在期望的温度下稳定的油类。传热流体可以具有至少300℃，或至少350℃，或至少400℃，或至少430℃的最高操作温度(通常为传热流体在该温度下稳定的温度)。传热流体可以具有低于20℃，或低于10℃，或低于0℃，或低于-10℃，或低于-20℃的冰点。合适的传热流体的实例为Dowtherm A，其为合成的有机传热液体，在高达约400℃的温度下在压力下可操作。其它传热流体的实例为硅油、Therminol和乙二醇。
在阶段之间，用于本发明的不同阶段的太阳能吸收装置可以是相同的或不同的。通常，太阳能吸收装置包括配置成收集太阳能的太阳能集热器和配置成接收反射自集热器的太阳能的接收器。流体在接收器中通过与例如在接收器中界定的通道中的加热器元件接触而被加热，所述通道的壁通过来自集热器的太阳能来加热。
可用于本发明的一种类型的太阳能吸收装置为槽式太阳能吸收装置，如例如在美国专利第7296410号中所描述的，所述专利的内容通过引用整体并入本文。如美国专利第7296410中所描述的，槽式太阳能吸收装置被配置成收集太阳能且反射太阳能，以被流体吸收。槽式装置可以包括界定了当流体被循环时用于接收流体的通道的接收器。槽式装置还包括太阳能集热器，所述太阳能集热器被配置成将太阳辐射导向接收器，以加热其中的流体。例如，太阳能集热器可以包括一个或多个镜子诸如抛物面镜，所述镜子将来自太阳的光反射向接收器。太阳能集热器在位置和配置上是可调节的，使得太阳能集热器可以在太阳的相对运动的过程中跟随太阳，使得来自太阳的太阳能被反射向接收器，而不管太阳的相对位置。例如，每一个太阳能集热器可以被可旋转地安装在固定基部上或其它结构上，且可以通过一个或多个发动机或其它致动装置来旋转地调节，以响应追踪太阳的相对位置的探测器或传感器。可选择地，太阳能集热器可以根据预编程的算法或其它预定的时间表来调节。
此外，如美国专利第7296410中所描述的，槽式装置可以包括其它类型的太阳能集热器。例如，除了抛物面镜外或代替抛物面镜，太阳能集热器可以包括透镜诸如菲涅耳透镜。此外，每一个太阳能集热器可以包括第二抛物面镜，且第二抛物面镜和/或透镜可以被配置成以不同的速率加热接收器，用于在流体被循环之前预热接收器。包括多个镜子、透镜及镜子与透镜的组合的太阳能集热装置被进一步描述在美国专利第7055519号中，所述专利的内容通过引用整体并入本文。
可用于本发明的第二类型的太阳能吸收装置为线性菲涅耳反射器，其用平面镜条来使光集中在具有待加热的流体的接收器上。这样的装置要比抛物槽式装置便宜。
第三类型的太阳能吸收装置为塔式太阳能吸收装置(“发电塔”)，如美国专利第7296410号中所描述的。这样的装置还被称作“定日镜”。如美国专利第7296410中所描述的，塔式太阳能吸收装置包括管型接收器，其可由管子、储器或界定了用于接收流体且使流体循环的通道的其它导管组成。接收器通过高架塔结构来支撑。塔式太阳能吸收装置还包括配置成将太阳辐射导向接收器的至少一个太阳能集热器。例如，太阳能集热器可以是布置成邻近塔结构的定日镜。数百个或数千个定日镜或其它集热器可以定位成反射太阳辐射，用于加热塔式装置中的流体。每一个定日镜可以包括用于将太阳辐射反射向塔式装置中的接收器的平面镜或曲面镜，且每一个定日镜可以为独立地可调节，以响应太阳的相对位置。例如，定日镜可以以阵列布置，每一个阵列的定日镜被单独控制或与阵列中的其它定日镜组合通过配置成探测且追踪太阳的相对位置的一个或多个控制装置来控制。因此，可以根据太阳的位置来调节定日镜，以将阳光反射到接收器上，由此加热接收器中的流体。
在本发明的实施方式中，用于加热传热流体的太阳能吸收装置可以为槽式太阳能吸收装置，优选抛物槽，且用于使蒸汽过热的太阳能吸收装置可以为塔式太阳能吸收装置或抛物槽或平面镜装置。
在太阳能吸收装置中预热供水的实施方式中，可以使用菲涅耳反射器，其比抛物槽和塔式装置便宜。可选择地，可使用其它太阳能吸收装置，例如槽式集热器装置。因为供水仅被加热到接近其沸点的温度，所以可以采用成本更加低的槽式集热器。
在太阳能吸收装置中加热流体的本发明的每一个阶段中，将理解，可以串联或并联采用可以为相同的或不同的一个或多个太阳能吸收装置。
在本发明的发电设备的实施方式中，传热流体部分可以包括储热部分，所述储热部分适合于接收且储存来自经加热的传热流体的热能。具体地，有时发生传热流体的热能高于实现供水的蒸发(和可选择地部分过热)所需要的热能的情况。这可以发生在低需求量的时候或在太阳的辐射能量处于峰值的时候。为了不浪费过多的热，传热部分可以包括分支部分，所述分支部分包括配置成与储热介质交换热的热交换器。储热介质通常为熔盐，但可以使用其它储热材料。在产生过量的热的期间，经加热的HTF的流动通过分支部分转移到热交换器中，以释放出热且随后加热储热介质。然后，冷却的HTF可以供给到锅炉中，在锅炉中，其热能的剩余部分被用于使供水汽化，如前所述的。
在HTF的热能不足以在锅炉中产生蒸汽的时候，这可通过从储热介质传递的热能来补充。这可通过在传热流体部分中设置另外的分支来实现，由此使HTF被转移到热交换器中，用于与经加热的储热介质热交换。然后，以已经描述的方式，将已经通过与储热介质热接触来加热的所得到的HTF供给到锅炉中。
在这个实施方式中，可以设置通过经由热交换器的合适的流体连接来连接的合适的热储罐和冷储罐来储存储热介质。
可以设置补充的非太阳能加热器，以在供水在过热器中的加热不充分时，将热供给到供水中。例如，可以在旁通第二太阳能吸收装置的蒸汽产生部分中设置分支，分支包括炉子以使来自锅炉的蒸汽过热，用于供给到汽轮机中。炉子可以用任何合适的燃料作为燃料，合适的燃料比如气体、煤、油、生物质等。来自炉子的热废气可以被导向蒸汽锅炉，以在锅炉中提供辅助加热。可选择地，或此外，热废气可以被导向合适的热交换系统，用于在供给到锅炉之前预热供水。如上文所讨论的，为了以最高效的方式实现期望的过热温度，可能期望采用串联布置的太阳能过热装置和炉子两者。
本发明的发电设备及操作发电设备的方法可由控制器比如计算机来控制。
现在将作为实例仅通过参考图1来描述本发明。
太阳能发电设备10包括蒸汽产生部分12、传热流体部分14和冷凝式汽轮机16。蒸汽产生部分12与汽轮机16在流体回路17中流体连接，其中水和/或蒸汽循环以形成典型的兰金循环发电组。
蒸汽产生部分12包括锅炉供水(BFW)加热器18、蒸汽锅炉20、第一过热器100和过热器22。在流体回路中额外设置的是加压泵24。
与蒸汽产生部分12相关联的是补充过热炉子26和补充预热装置28。
传热流体部分14以流体回路30的形式，用于使传热流体循环，用于经由传热元件101在第一过热器100中与蒸汽热接触，且随后用于经由传热元件102在蒸汽锅炉20中与锅炉供水接触。在流体回路30中设置太阳能吸收装置30和加压泵34。从流体回路支化出来的是包括膨胀罐36的部分。
与传热流体部分14相关联的是储热介质回路38，储热介质回路38包括经由热交换单元44连接的冷罐40和热罐42。设置流动通道46、48和50，以使传热流体从流体回路30流动通过热交换单元44。
锅炉供水加热器18包括太阳能吸收装置，太阳能吸收装置被配置成收集太阳能且将这种能量传递到锅炉供水，所述锅炉供水在回路17中流动通过加热器18。例如，用于这个阶段的太阳能吸收装置可以是线性菲涅耳反射器。
第二过热器22包括太阳能吸收装置，所述太阳能吸收装置被配置成收集太阳能且将这种能量传递到在回路17中流动通过第二过热器22的蒸汽，以使蒸汽过热。例如，用于这个阶段的太阳能吸收装置可以是所谓的“发电塔”或抛物槽式集热器。
在传热流体部分14中的太阳能吸收装置32被配置成收集太阳能且将这种能量传递到在回路30中流动通过集热器元件的传热流体。例如，用于这个阶段的太阳能吸收装置可以是抛物槽式集热器。
在太阳能发电设备10的操作中，在回路30中流动的传热流体在加压装置34中加压到例如16-35巴的压力。通常，在循环中的这一点下的HTF的温度将在150-350℃的范围内。从加压装置34，传热流体在回路30中流动通过太阳能吸收装置32，以加热传热流体。传热流体可以被加热到300-450℃的温度。然后，传热流体流向第一过热器100，在第一过热器100中传热流体例如在热交换器中与锅炉中放出的蒸汽进行热接触。然后，HTF从第二过热器100流到锅炉单元20，用于与锅炉中的供水传热接触，以煮沸供水。HTF的温度可以为例如在260-430℃的范围内，这取决于在第一过热器100进行的过热程度。热能从热的传热流体传递到锅炉供水中，以将水转化成蒸汽。
在蒸汽产生部分12中，通过冷凝式汽轮机16排出的锅炉供水可以在25-80℃的温度和0.03-0.57巴(绝对值)的压力下。在加压装置24中给供水加压，例如加压到40-200巴的压力。
在回路17中，将加压供水供给到包括太阳能吸收装置的BFW加热器18中。在太阳能吸收装置中，将锅炉供水加热到低于其沸点的温度。通常，在与应用到泵24中的供水基本相同的压力下，将水加热到250-365℃的温度且在该温度下离开BFW加热器。
将加热的供水传送到锅炉20，在锅炉20中使供水与传热流体进行热接触，且蒸发以形成饱和蒸汽。
来自蒸汽锅炉20的蒸汽被传送到第一过热器100中，在第一过热器100中，在40-200巴的压力下，蒸汽被部分过热到在例如260-375℃范围内的温度。
然后，将部分过热的蒸汽传送到第二过热器单元22中，在第二过热器单元22中，使部分过热的蒸汽在太阳能吸收装置中过热。例如，在40-200巴的压力下，可以使蒸汽过热到300-600℃的温度。
从第二过热器22，过热蒸汽在压力下被传送到冷凝式汽轮机16中，在冷凝式汽轮机16中，过热蒸汽以本身已知的方式驱动汽轮机16。汽轮机16驱动发电机以发电52。
如所述的，储热介质回路38与传热回路14相关联。在低需求量的时候，或在太阳的辐射能量处于峰值时，可以用储热介质回路14来储存过量的热能，所述热能可在稍后高需求量的时候或黑暗期间使用。为了储存热能，经由通道48将经加热的传热流体或经加热的传热流体的一部分导向到热交换器44中，在热交换器44中，经加热的传热流体将热释放到储热介质中，储热介质通过热交换器从冷罐40流到热罐42。从而使传热流体冷却。在显示的实施方式中，传热流体还包含大量的热能且经由通道50流到蒸汽锅炉20中，用于与锅炉供水热接触。当太阳能吸收装置32中的能量输入不充足时，传热流体或传热流体的一部分可以经由通道46流过热交换器，且储热介质同时从热罐42流到冷罐40。热从储热介质传递到传热流体，所述传热流体经由通道50流到蒸汽锅炉20中。热罐中的热熔盐的温度可以约为430℃。
在夜间操作中，或在太阳辐射能量不充足的时候，蒸汽产生部分12中的太阳能吸收装置可以设置旁路，或部分地设置旁路，且加热可通过常规的方式来完成。因此，在所阐述的实施方式中，来自蒸汽锅炉20的蒸汽经由分支通道54流到补充的过热炉子26，过热炉子26以化石燃料方式诸如天然气作为燃料。蒸汽在炉子中过热且返回到流体回路中，用于供给到汽轮机16。来自炉子的热废气可以在例如600-1000℃的温度下，从炉子经由通道56a流出，用于与蒸汽发生器20中的供水热接触，且还经由通道56b，流到补充的预热装置28，通过预热装置28，供水通过通道58被转移用于预热。冷却的废气可以直接排放到大气中。
与目前的配置相比，在图1中阐明的发电设备可以提供较多的资本成本节约(例如，多达10-15％)。此外，可以提供减少的太阳能场热损失(例如，多达5％)及增加的汽轮机效率(例如约为2-5％)。例如，这些结果可以通过使集热器选择与预热、煮沸和过热的三个加热区域相匹配来实现。共同地，这些益处显著地降低了太阳能发电厂中产生的电的平准成本(LCOE)。
例如，通过消除与高温传热回路相关联的热损失，线性菲涅尔的应用和锅炉供水的直接加热可以允许使用具有更高的净热收集效率的较低资本成本的集热器。此外，由于锅炉供水关于传热流体的较低质量通量，可以减少预热区域中的附加泵送损失。此外，通过在起始条件下锅炉供水关于传热流体的最佳的传热和质量流动性质，可以减少太阳能场的起始时间。
例如，在设备的煮沸区域中，可使需要的传热流体体积减少约30％，还得到了资本成本节约。传热系统的这个区域通常需要用于热膨胀的补充，其造成显著的潜在的密闭度(containment)损失风险。通过减少这个回路的负载(duty)，可使风险降低约30％。此外，负载曲线(煮沸、第一阶段过热和储热)可以与较高性能的传热流体(比如硅酮类)的性质相匹配，而如果整个集热器温度升高，那么可发生最小的太阳能集热器损失。
与当前的配置相比，本发明可以利用在集热器中直接过热的益处，而不受传热流体的限制，这可产生多达5％的汽轮机效率改进。与当前的集热器领域成本相比，“发电塔”用于最后的过热可以以更低的资本成本导致550℃的汽轮机入口温度和100巴的压力条件。在槽式集热器中，类似的节约也是可能的。
本发明还可将易燃或有毒的传热流体的存量减少多达40％，且可以减少潜在的释放点的数目，改进了太阳能发电设备的环境足迹。

Claims (21)

1.一种产生用于发电的过热蒸汽的方法，包括：
(a)将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)煮沸所预热的供水，以产生蒸汽；及
(c)使所述蒸汽过热；
其中所述供水通过与传热流体的热交换而被煮沸，所述传热流体通过第一太阳辐射吸收装置所收集的热来加热；
且其中所述预热和所述过热中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一太阳辐射装置包括一个或多个槽式太阳能吸收装置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述预热是通过在另外的(“第二”)太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的，且所述过热是通过在另外的(“第三”)太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第二太阳辐射装置包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收装置。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中所述第三太阳辐射装置包括一个或多个塔式太阳能吸收装置。
6.根据权利要求3、4或5所述的方法，其中，在使所述蒸汽在所述第三太阳辐射吸收装置中过热之前，所述蒸汽通过与所述传热流体的热交换而被过热到超过所述供水的沸点。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述预热是通过在另外的(“第二”)太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的，且其中所述过热是通过与所述传热流体的热交换来进行的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二太阳辐射装置包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收装置。
9.一种发电的方法，包括：
通过如任一项前述权利要求所要求保护的方法产生过热蒸汽；及
将所述过热蒸汽供给到汽轮机中，用于发电。
10.一种用于产生用于发电的过热蒸汽的装置，包括：
(1)过热蒸汽产生部分，其用于产生过热蒸汽，包括：
(a)预热器区域，其用于将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)锅炉区域，其在所述预热器区域下游，用于煮沸所预热的供水以产生蒸汽；及
(c)过热器区域，其在所述锅炉区域下游，用于使所述蒸汽过热；及
(2)传热流体部分，其包括用于加热传热流体的第一太阳辐射吸收装置且被配置成将来自所加热的传热流体的热传递到所述锅炉区域中的所述供水；
其中所述预热器区域和所述过热器区域中的一个或另一个包括用于直接加热所述供水或所述蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置，或其中所述预热器区域和所述过热器区域中的每一个包括用于分别直接加热所述供水和所述蒸汽的另外的太阳辐射吸收装置。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一太阳辐射装置包括一个或多个槽式太阳能吸收装置。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述预热器区域包括用于直接加热所述供水的另外的(“第二”)太阳辐射吸收装置，且所述过热器区域包括用于直接加热所述蒸汽的另外的(“第三”)太阳辐射吸收装置。
13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第二太阳辐射装置包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收装置。
14.根据权利要求12或13所述的装置，其中所述第三太阳辐射装置包括一个或多个塔式太阳能吸收装置。
15.根据权利要求12、13或14所述的装置，其中所述传热流体部分还被配置成将来自所加热的传热流体的热传递到在所述锅炉区域的下游且在所述第三太阳能吸收装置的上游的所述蒸汽，由此所述蒸汽在所述第三太阳能吸收装置中被过热之前，通过与所述传热流体的热交换而被过热到超过所述供水的沸点。
16.根据权利要求10或11所述的装置，其中所述预热器区域包括用于直接加热所述供水的另外的(“第二”)太阳辐射吸收装置，且其中所述传热流体部分还被配置成将来自所加热的传热流体的热传递到所述过热器区域中的所述蒸汽，由此所述蒸汽通过与所述传热流体的热交换而被过热到超过所述供水的沸点。
17.根据权利要求16所述的装置，其中所述第二太阳辐射装置包括一个或多个线性菲涅耳太阳能吸收装置。
18.一种使用权利要求10所述的装置来产生用于发电的过热蒸汽的方法，包括：
(a)在所述预热器区域将供水预热到低于其沸点的温度；
(b)在所述锅炉区域煮沸所预热的供水，以产生蒸汽；及
(c)在所述过热器区域使所述蒸汽过热；
其中所述供水在所述锅炉区域中通过与所述传热流体的热交换而被煮沸，所述传热流体已通过所述第一太阳辐射吸收装置所收集的热来加热；
且其中所述预热和所述过热中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。
19.一种太阳能发电设备，包括：
根据权利要求10所述的用于产生过热蒸汽的装置；及
汽轮机，其被配置成接收来自所述用于产生过热蒸汽的装置的过热蒸汽且能够发电。
20.一种操作如权利要求19所要求保护的太阳能发电设备的方法，包括：
在所述传热流体部分的所述第一太阳能辐射吸收装置中加热传热流体(HTF)；
在所述过热蒸汽产生部分中，从供水产生过热蒸汽；及
将所述过热蒸汽供给到所述汽轮机，用于发电；
其中用于供应到所述汽轮机的所述过热蒸汽是在包括以下的至少三个加热阶段中从所述供水产生的：
(a)预热阶段，在该预热阶段中在所述预热器区域将所述供水预热到低于其沸点的温度；
(b)煮沸阶段，在该煮沸阶段中在所述锅炉区域煮沸所预热的供水，以产生蒸汽；及
(c)过热阶段，在该过热阶段中在所述过热器区域使所述蒸汽过热；
其中所述供水在所述锅炉区域中通过与所述传热流体的热交换而被煮沸，所述传热流体已通过所述第一太阳辐射吸收装置所收集的热来加热；
且其中所述预热和所述过热中的一个或另一个或两者是通过在一个或多个另外的太阳辐射吸收装置中直接加热来进行的。
21.一种太阳能发电设备，其基本上如上文参考附图所描述的。
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