CN103375926B - 太阳能系统和操作方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能系统，其包括用于吸收太阳辐射的太阳能接收器（1）、通过该接收器的至少第一和第二流体流动路径（L1、L2）、可流动通过该第一流体流动路径（L1）来从该接收器（1）吸收热能直到第一最高温度的第一工作流体和可流动通过该第二流体路径（L2）来从该接收器（1）吸收热能直到第二最高温度的第二工作流体。

Description

太阳能系统和操作方法

技术领域

本公开涉及太阳能系统和操作它们的方法。更具体地，本公开涉及利用工作流体来将热能从太阳能接收器转移到热交换器的太阳能系统。

背景技术

在聚光太阳能（CSP）发电的已知方法中，来自太阳的辐射通过例如抛物面镜或定日镜的工具聚焦到一个或多个太阳辐射接收器上，其可例如安装在塔顶上（所谓的“太阳塔”布置）。该太阳能接收器或每个太阳能接收器将太阳辐射作为热能吸收，并且例如熔盐的具有高热容的工作流体用于将热从太阳能接收器转移到热交换器，以便产生适合用于驱动原动机的另外工作流体。典型地，该原动机是以兰金循环（RankineCycle）操作的蒸汽涡轮机，虽然也可以使用除蒸汽外的涡轮机流体。通常，涡轮机或其他原动机驱动发电机以用于将电力馈送到公用事业电网。

为了将热从太阳能接收器转移到热交换器，工作流体通过通道，它们与该或每个接收器的辐射吸收元件紧密热连通，并且流体然后通过严密隔离管道循环到热交换器来避免由此过度的热损耗。

太阳辐射转换成可用电力的效率具有最高的重要性。需要高效率来允许CSP在单位能量成本方面与例如化石燃料火力发电站的其他形式发电竞争。具有对整体系统效率的显著影响的上文CSP系统的一个方面是涡轮机流体在传递到涡轮机之前在热交换器处升高到的温度和压力。热力学上，将流体加热到尽可能高的温度和压力是可取的，以便最大化横跨涡轮机的温度和压力差。然而，涡轮机流体可达到的温度和压力由用于将热能从太阳能接收器转移到热交换器的工作流体的特性限制。CSP系统的典型工作流体的示例是熔盐：60%硝酸钠和40%硝酸钾的组合。硝酸钠和硝酸钾的该组合具有大约565oC的最高工作温度，该温度不足以在热交换器产生超临界蒸汽来用作涡轮机流体。熔盐混合物的可用温度极限由在最低温度阈值的结晶和由在最高温度阈值的盐分解引起。尽管已知盐具有允许在热交换器的温度上升超过565oC的分解温度，具有更高分解温度的盐也具有增加的结晶温度。结晶温度的增加导致对于其CSP系统将不起作用的增加的温度范围，因为工作流体将不环绕系统流动并且因此不能将能量从太阳能接收器转移到热交换器。

因此，需要有在比使用CSP系统的已知布置当前可达到的更宽的温度范围上将能量从太阳能接收器转移到热交换器的工具。

发明内容

本公开的第一方面提供太阳能系统，其包括用于吸收太阳辐射的太阳能接收器和彼此并联通过该太阳能接收器的多个分开的流体流动路径，其中每个流体流动路径包含至少在最低操作温度可流动通过该流体流动路径来从太阳能接收器吸收热能直到最高操作温度的工作流体，该最低和最高操作温度对于每个工作流体是不同的，布置为使得由具有相对较低的最低和最高操作温度的工作流体在太阳能接收器中吸收的热能转移到邻近的流体流动路径中具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体，这样的热能转移在具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体从太阳能接收器吸收热能之前发生。

例如，在优选实施例中，第一和第二流体流动路径通过太阳能接收器，第一工作流体可流动通过该第一流体流动路径来从太阳能接收器吸收热能直到第一最高温度；并且第二工作流体可流动通过该第二流体流动路径来从太阳能接收器吸收热能直到比该第一最高温度更高的第二最高温度。

作为另外的示例，太阳能系统可进一步至少包括通过太阳能接收器的第三流体流动路径，和可通过该第三流体流动路径来从接收器吸收热能直到比第一和第二最高温度更高的第三最高温度的第三工作流体。

优选地，每个流体路径包括在太阳能接收器之前的储存贮液器和在太阳能接收器之后的储存贮液器，由此每个工作流体在太阳能接收器中加热之前和之后储存在贮液器中。

方便地，不同的工作流体可占用储存贮液器中的至少一个的第一和第二隔室，该第一隔室位于流体流动路径中来在具有相对较低的最低和最高操作温度的工作流体在太阳能接收器中加热后储存它，并且该第二隔室位于流体流动路径中来在具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体在太阳能接收器中加热前储存它，储存贮液器的该第一和第二隔室被布置使得在系统的操作期间，具有较高的最低操作温度的工作流体由来自具有较低的最低操作温度的工作流体的热能维持在可流动的状况。

为了从系统抽取可用电力，每个流体流动路径可包括在该流动路径中加热的工作流体在操作中通过的热交换器以将热能给予涡轮机流体，上述热交换器相对于涡轮机流体的流动串联布置使得该串联中后面的热交换器在涡轮机流体通过前面的热交换器后将另外的热能给予涡轮机流体。利用水蒸汽作为涡轮机流体，这使蒸汽能够取得超临界状态以用于增加发电效率。这样的发电可通过使加热流体通过以兰金循环操作的涡轮机实现，该涡轮机布置成驱动发电机。

为了控制每个工作流体通过从太阳能接收器吸收热能达到的最高温度，系统可包括可操作来以不同流速环绕流体流动路径泵送工作流体的泵。

本公开的第二方面提供操作太阳能系统的方法，其中热能从太阳能接收器转移到多个不同的工作流体，这些工作流体可流动通过对应的多个流体流动路径并且具有彼此不同的最低和最高操作温度，该方法包括步骤：

a）使至少在它们的最低操作温度的工作流体流过它们相应的流体流动路径来从太阳能接收器吸收热能直到它们的最高操作温度；并且

b）将由具有相对较低的最低和最高操作温度的工作流体在太阳能接收器中吸收的热能转移到在邻近的流体流动路径中具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体，这样的热能转移在具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体从太阳能接收器吸收热能之前发生。

本公开的另外方面将通过精读下列描述和随附权利要求明显可见。

附图说明

现在将参照附图描述示范性实施例，其中：

图1是根据本概念的一方面的太阳能发电系统的示意视图；并且

图2是对于压力范围标绘焓对从200oC到700oC的蒸汽温度的曲线图。

具体实施方式

本文中公开太阳能发电系统的特定实施例的详细描述。将理解该公开中的实施例仅仅是本概念可以采用其实现的方式的示例，并且不代表可实施该概念的方式中的全部的详尽叙述。实际上，将理解本文描述的太阳能发电系统可采用各种和备选的形式实施。图不是按比例绘制的，并且众所周知的组件、材料或方法没有详尽描述以便避免通过不必要的细节掩盖本概念。本文公开的任何特定结构和功能细节不要解释为限制性的，而仅仅作为权利要求的基础并且作为教导本领域内技术人员多方式地采用本公开的代表性基础。

本公开涉及CSP发电系统中使用两个或更多不同的工作流体来实现比任一个工作流体分别可以提供的更大的工作温度范围。公开的系统提供在热交换器产生足够的温度来形成用于在蒸汽涡轮机中使用的超临界蒸汽，由此允许增加的发电效率。

为了进一步解释，技术人员将认识到随压力增加，水的沸腾温度增加并且它的蒸发潜热减少。如果压力和温度增加足够，蒸发的潜热变成零，即水直接转变成蒸汽而不沸腾，其是临界压力和温度。这在374oC和220.6bar发生。传统上，蒸汽发电设备以大约170bar的蒸汽压力操作，这时蒸汽处于亚临界状态。然而，如果发电设备以比临界压力更高的压力来操作，则可以实现更高的热效率。这样的设备称为超临界发电设备。

在图1的CSP系统中，首先虽然不仅用于在超临界发电设备中使用，适当配置的镜2被确定大小并且布置成将太阳辐射聚焦在安装在太阳塔3的顶部的太阳能接收器1上。该太阳能接收器1包括吸收入射太阳辐射的太阳辐射捕捉元件。CSP工作流体流过太阳能接收器中的通路，由此从太阳辐射捕捉元件吸收热能并且将它传输到系统的其他组件。

在图1中，有三个闭路流体流动路径或回路L1、L2和L3，分别包含第一、第二和第三CSP工作流体。

在第一流动路径L1中，第一贮液器9包含第一工作流体并且管道10将贮液器9联接到太阳能接收器1；管道11将太阳能接收器1联接到第二贮液器4中的第一隔室20a；管道5将第二贮液器4中的第一隔室20a联接到第一热交换器6；并且管道27将第一热交换器6联接到第一贮液器9，由此完成第一流动路径L1的闭路。

在第二流动路径L2中，第二贮液器4的第二隔室20b包含第二工作流体并且管道12将第二贮液器4的第二隔室20b联接到太阳能接收器1；管道13将太阳能接收器1联接到第三贮液器16中的第一隔室25a；管道17将第三贮液器16中的第一隔室25a联接到第二热交换器18；并且管道19将第二热交换器18联接到第二贮液器4的第二隔室20b，由此完成第二流动路径L2的闭路。

在第三流动路径L3中，第三贮液器16的第二隔室25b包含第三工作流体并且管道14将第三贮液器16的第二隔室25b联接到太阳能接收器1；管道15将太阳能接收器1联接到第四贮液器21；管道22将第四贮液器22联接到第三热交换器23；并且管道24将第三热交换器23联接到第三贮液器16的第二隔室25b，由此完成第三流动路径L3的闭路。

现在转向CSP工作流体流动路径的更详细考虑，流体流动路径L1中的管道10将太阳能接收器1连接到第一贮液器9，其包含第一CSP工作流体，例如60%硝酸钠和40%硝酸钾的组合，其保存在相对低的温度（但高于它的结晶温度），准备好通过泵P泵送到太阳能接收器1。熔盐在贮液器9中合适的保存温度是例如290oC。当第一CSP工作流体通过接收器1时，它通过与辐射捕捉元件热连通的第一组通路吸收热能，并且在通过管道11从接收器1泵送到第二贮液器4的主要隔室20a之前加热到例如565oC的温度，所述第一CSP工作流体以该温度储存在所述主要隔室20a中。管道5将第一CSP工作流体从第二贮液器的主要隔室20a传输到第一热交换器6，这里它放出它的热能中的大部分给涡轮机流体线路8中的涡轮机工作流体。进入热交换器6的涡轮机工作流体可以是水或低等级蒸汽，其由此在温度和压力方面升高。管道27引导第一工作流体以适当的温度（例如，290oC）从第一热交换器6回到第一贮液器9，它储存在其处直到泵送回到接收器1。

管道12将接收器1连接到第二贮液器4的次要隔室20b。该次要隔室20b与主要隔室20a隔开并且储存第二CSP工作流体。适合用作该第二工作流体的材料的示例是以下中的任一个：氟化锂/氟化铍混合物（LiF-BeF₂）、氟硼酸钠/氟化钠混合物（NaBF₄-NaF）和氟化钠/氟化锆混合物（NaF-ZrF₄），其中每个与第一工作流体相比拥有更高的上和下（即，分解和结晶）温度阈值。优选地，第二贮液器4是等温的，使得主要和次要隔室20a和20b具有相似或相同的温度，从而避免需要将它们彼此热隔离。因此，储存在次要隔室20b中的第二工作流体的容积大致上维持在储存在主要隔室20a中的第一工作流体的温度，从而将隔室20b中的第二工作流体维持在高于它的结晶点的温度。因此，第二工作流体维持在可用的状态中以用于由泵P从第二贮液器4的次要隔室20b泵送到接收器1，在那里它吸收热能来将它的温度升高到例如700oC。在通过与太阳能接收器1的辐射捕捉元件热连通的第二组通路（该第二组通路不同于第一工作流体通过的第一组）后，第二工作流体通过管道13泵送到第三贮液器16的主要隔室25a，它以它在接收器1中被加热到的温度储存在其中。第三贮液器16的主要隔室25a与第二热交换器18连通，第二工作流体经由管道17泵送到所述第二热交换器18。在第二热交换器18处，热能从第二工作流体转移到已经通过第一热交换器6的涡轮机流体，由此进一步朝第二工作流体的温度升高涡轮机流体的温度。第二工作流体然后通过管道19返回到第二贮液器4的次要隔室20b，准备好通过太阳能接收器1再循环。

与现有技术比较，有利的是具有一种系统，其具有两个不同的CSP工作流体，其中第一工作流体通过第一流体流动路径来从接收器1吸收热能直到第一最高温度，并且第二工作流体通过第二流体流动路径来从接收器吸收热能直到大大高于由第一工作流体达到的最高温度的第二最高温度。这样，可以经由热交换器6和18将足够的热能转移到线路8中的涡轮机流体来将涡轮机流体（通常是蒸汽）升高到超临界状态。然而，我们预想值得的是通过再引入能够被升高到比第二CSP工作流体还要更高的温度的至少一个CSP工作流体来进一步增加系统的高温能力。

再次参照图1，将看出管道14将接收器1连接到第三贮液器16的次要隔室25b。该次要隔室25b与第三贮液器16的主要隔室25a在物理上（但优选地非热地）隔开，并且储存与第二工作流体相比具有更高的上和下温度阈值的第三CSP工作流体。适合提供该第三工作流体的材料的示例是液体金属，例如钠或钠钾合金，或不同于选作第一和第二工作流体的盐的盐。从而，储存在第三贮液器的次要隔室25b中的第三工作流体大致上维持在储存在主要隔室25a中的第二工作流体的温度，即第三工作流体维持在高于它的结晶点的温度，由此将它维持在可用的状态中以用于由泵P泵送到接收器1。因此，第三工作流体从第三贮液器16的次要隔室25b泵送到接收器1，并且吸收热能来将它的温度升高到例如750oC。在通过接收器1的辐射捕捉元件中的第三组通路（该第三组通路不同于第一和第二工作流体分别通过的第一和第二组通路）后，第三工作流体通过管道15泵送到第四贮液器21，它以它在接收器1中被加热到的温度储存在其中。第四贮液器21与第三热交换器23连通，第三工作流体经由管道22泵送到所述第三热交换器23。在第三热交换器23中，第三工作流体将热能转移到已经通过第一和第二热交换器6、18的涡轮机流体，由此进一步升高涡轮机流体的温度。第三CSP工作流体然后通过管道24返回到第三贮液器16的次要隔室25b。

已顺序流过第一、第二和第三热交换器6、18和23中的每个的热交换线路的涡轮机流体优选地处于超临界状态，并且从第三热交换器23管到输送到涡轮机26的入口以用于驱动发电机。

预想贮液器自身与它们的环境高度隔离来防止热能损耗到周围，其将有损于整体系统效率。贮液器的每个隔室用于形成的材料必须至少能够耐受相应工作流体在它们在接收器1中加热后的温度和反应性。

当单独工作流体从它们的相应贮液器通过接收器1中它们的相应通路并且环绕流体循环路径L1、L2、L3回到它们的相应贮液器时，可采用来控制它们的最高温度的一个方式是通过控制它们的流速。这是可能的，因为三个不同的工作流体循环路径彼此独立并且从而具有单独的泵和流速。因此，第一工作流体可以以允许它吸收热能直到但不超过它的上阈值温度的流速环绕接收器1泵送。第二工作流体可以以第二较低的流速环绕接收器泵送，由此使能够达到更高的温度。第三工作流体然后可以以还要更慢的速率环绕接收器1泵送，以便升高到比第二工作流体更高的温度。

对于系统的起动，预想如果必要的话，贮液器9中的第一CSP工作流体将从外部热源加热直到工作温度。然后第一工作流体将环绕流体路径L1循环，直到第二贮液器4被充分加热以便将储存在其的次要隔室20b中的第二工作流体带到足够的温度使它能够流动。相似地，第二工作流体将加热储存在第三贮液器16的次要隔室25b中的第三工作流体，并且一旦充分加热到能够流动，也可采用第三工作流体。我们从而提供一种操作方法，其中多个工作流体各自仅在它们的标称温度范围内采用。这提供可适应于正经历的日晒程度的系统，例如第二和第三工作流体仅需要在气象条件保证它的地方采用。从而，在昏暗的阳光中，可能仅使用第一工作流体。同样，可以实现单个或多个再加热循环，如期望的。

尽管预想通过接收器的足够日晒，上文描述的系统中的第二工作流体将升高到能够将水加热到超临界状态的温度，技术人员将认识到运送加热工作流体的管道系统没有被加压，从而仅存在热应力，引起与已知超临界锅炉相比管道制造起来将更经济的预期。

使用显热的热转移和储存系统（例如这一个）的效率与每个流体路径的冷和热段之间的温差成比例（储存的能量=质量x热容x温差）。在本公开中给出的示例中，第一工作流体将从290oC工作到近似550oC（因此温度的变化，DT=260oC），而第二工作流体将仅从550oC工作直到近似700oC（因此DT=150oC）。从而，对于第二工作流体，相同量的能量储存将要求1.7倍以上的体积（假设第二工作流体具有与第一工作流体相同的质量和热容）。然而，如在图2中图示的，当考虑将加压水仅在图1的热交换器6和18中从290oC加热到700oC的焓需求时，可以看出需要的能量的量在温度范围上不均匀地分布。升高水的温度所需要的能量中的大部分将需要在290oC到550oC范围中，其由第一并更有效的工作流体提供。第二工作流体因此用于将水/蒸汽的压力升高到超临界状态。

在备选实施例中，预想可采用仅两个或多于三个工作流体。如要求的，例如上文描述的那些的另外的隔室化的贮液器和相应的热交换器将增添或从上文的实施例去除来容纳增加或减少数量的工作流体。

还可使用备选的工作流体，例如其他形式的熔盐、液体金属或除其他之外例如二氧化碳或氦的气体。

还预想多于一个太阳能接收器可结合到系统中，其中工作流体传递到并联或串联的接收器。

Claims (14)

1.一种太阳能系统，包括用于吸收太阳辐射的太阳能接收器（1）和彼此并联通过所述太阳能接收器的多个分开的流体流动路径（L1、L2、L3），其中每个流体流动路径包含至少在最低操作温度能够流动通过所述流体流动路径来从所述太阳能接收器（1）吸收热能直到最高操作温度的工作流体，所述最低和最高操作温度对于每个工作流体是不同的，布置为使得由具有相对较低的最低和最高操作温度的工作流体在所述太阳能接收器（1）中吸收的热能转移到邻近的流体流动路径（L2、L3）中具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体，这样的热能转移在具有相对较高的最低和最高操作温度的所述工作流体从所述太阳能接收器（1）吸收热能之前发生。

2.如权利要求1所述的太阳能系统，其中，第一和第二流体流动路径（L1、L2）通过所述太阳能接收器（1），第一工作流体能够流动通过所述第一流体流动路径（L1）来从所述太阳能接收器吸收热能直到第一最高操作温度；并且第二工作流体能够流动通过所述第二流体流动路径（L2）来从所述太阳能接收器吸收热能直到比所述第一最高操作温度更高的第二最高操作温度。

3.如权利要求2所述的太阳能系统，进一步至少包括通过所述太阳能接收器（1）的第三流体流动路径（L3），和能够通过所述第三流体流动路径（L3）来从所述接收器吸收热能直到比所述第一和第二最高操作温度更高的第三最高操作温度的第三工作流体。

4.如前述权利要求中任一项所述的太阳能系统，其中，每个流体流动路径（L1、L2、L3）包括在所述太阳能接收器（1）之前的储存贮液器（9、4、16）和在所述太阳能接收器之后的储存贮液器（4、16、21），由此每个工作流体在所述太阳能接收器中加热之前和之后储存在储存贮液器中。

5.如权利要求4所述的太阳能系统，其中，不同的工作流体占用位于第一流体流动路径（L1）中的太阳能接收器（1）之后和第二流体流动路径（L2）中的太阳能接收器（1）之前的储存贮液器（4）的第一和第二隔室（20a、20b），所述第一隔室（20a）位于第一流体流动路径（L1）中来在具有相对较低的最低和最高操作温度的工作流体在所述太阳能接收器（1）中加热后储存它，并且所述第二隔室（20b）位于第二流体流动路径（L2）中来在具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体在所述太阳能接收器中加热前储存它，所述第一和第二隔室（20a、20b）被布置使得在所述系统的操作期间，具有所述较高的最低操作温度的所述工作流体由来自具有所述较低的最低操作温度的所述工作流体的热能维持在可流动的状况。

6.如权利要求1-3中任一项所述的太阳能系统，其中，每个流体流动路径（L1、L2、L3）包括在该流动路径中加热的工作流体在操作中通过的热交换器（6、18、23）以将热能给予涡轮机流体，所述热交换器相对于所述涡轮机流体的流动（8）串联布置使得所述串联中后面的热交换器在所述涡轮机流体通过前面的热交换器后将另外的热能给予所述涡轮机流体。

7.如权利要求1-3中任一项所述的太阳能系统，其中每个流体流动路径（L1、L2、L3）包括能够操作来泵送相应的工作流体以不同流速环绕相应的流体流动路径的泵（P），由此控制每个工作流体通过从所述太阳能接收器吸收热能达到的所述最高操作温度。

8.一种操作太阳能系统的方法，其中，热能从太阳能接收器转移到多个不同的工作流体，所述工作流体能够流动通过对应的多个流体流动路径并且具有彼此不同的最低和最高操作温度，所述方法包括步骤：

a）使至少在它们的最低操作温度的所述工作流体流过它们相应的流体流动路径来从所述太阳能接收器吸收热能直到它们的最高操作温度；并且

b）将由具有相对较低的最低和最高操作温度的工作流体在所述太阳能接收器中吸收的热能转移到邻近的流体流动路径中具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体，这样的热能转移在具有所述相对较高的最低和最高操作温度的所述工作流体从所述太阳能接收器吸收热能之前发生。

9.如权利要求8所述的方法，包括使第一工作流体流过第一流体流动路径来从所述太阳能接收器吸收热能直到第一最高操作温度；并且使第二工作流体流过所述第二流体流动路径来从所述太阳能接收器吸收热能直到比所述第一最高操作温度更高的第二最高操作温度。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括至少使第三工作流体流过对应的流体流动路径来从所述接收器吸收热能直到比所述第一和第二最高操作温度更高的第三最高操作温度。

11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，进一步包括在所述太阳能接收器中加热之前将每个工作流体储存在它的对应的流体流动路径上的太阳能接收器之前的储存贮液器中以及在所述太阳能接收器中加热之后将每个工作流体储存在它的对应的流体流动路径上的太阳能接收器之后的储存贮液器中。

12.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

a）在所述太阳能接收器中加热之前将具有较低的最低操作温度的工作流体储存在它的对应的流体流动路径上的太阳能接收器之前的储存贮液器中；

b）在所述太阳能接收器中加热之后将具有较高的最低操作温度的工作流体储存在它的对应的流体流动路径上的太阳能接收器之后的储存贮液器中；

c）在储存期间将热能从具有较低的最低操作温度的所述工作流体转移到具有所述较高的最低操作温度的所述工作流体，由此将具有所述较高的最低操作温度的所述工作流体维持在可流动的状况。

13.如权利要求8至10中任一项所述的方法，进一步包括将热能从每个流体流动路径中的加热的工作流体转移到涡轮机流体，其中热能从具有相对较高的最低和最高操作温度的工作流体到所述涡轮机流体的转移在热能从具有相对较低的最低和最高操作温度的工作流体到所述涡轮机流体的转移之后发生。

14.如权利要求8至10中任一项所述的方法，进一步包括泵送每个工作流体以不同流率环绕相应的流体流动路径，由此控制每个工作流体通过从所述太阳能接收器吸收热能达到的所述最高操作温度。