CN104884874A - 耦合的化学-热太阳能发电系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种将热能路径和化学能路径耦合的CSP系统。热路径利用传热流体以在中温下收集聚集的太阳光作为热能，并且将该能量传递至热-电动力循环。并行地，化学路径利用在接收器中经历直接光致还原的氧化还原材料以将太阳能存储为化学势。然后这种氧化还原材料在与热路径热交换器串联的动力循环中在很高的温度下氧化。这种耦合使得接收器能够使目前工艺水平的典型的热电塔以高效率运行，同时实现典型的天然气燃烧设备的动力循环效率并且实现很高的总的太阳能至电能的转换效率。

Description

耦合的化学-热太阳能发电系统及其方法
技术领域
本文中公开的实施方案包括聚光太阳能发电(“CSP”)(也被称为太阳能热发电)的领域的系统和方法。所公开的系统和方法一般地利用两个并行耦合的能量路径，一个热路径和一个化学路径，以将太阳能高效地转换成电能。具体地，所公开的实施方案包括与独立的化学储能材料连通的太阳能接收器和在独立的路径中流动或传输的传热流体。化学储能材料在接收器处经受低温光致还原。另外，传热流体(“HTF”)在太阳能接收器处被加热至工作温度。化学储能材料和HTF被用于驱动在相对高的温度下工作的动力循环，这是因为在HTF冷却的同时化学储能材料氧化放热，或者HTF冷却与化学储能材料氧化放热顺序进行。
背景技术
聚光太阳能技术一般可以分成用于发电的热系统和用于燃料生产和化学处理的化学系统。在利用不同类型的反射器配置例如槽、盘和定日镜的技术领域中，热CSP设备的变型是已知的。已知的CSP系统利用许多可替代的传热流体例如油、熔融盐和蒸气，并且可以被用于驱动各种动力循环，例如蒸气兰金(Rankine)循环、超临界蒸气兰金循环、以及超临界二氧化碳布雷顿(Brayton)循环。
现有工艺水平的高温CSP塔以例如在美国专利申请2008/0302314中示出的直接蒸气生成塔和例如在美国专利申请2008/0000231中示出的熔融硝酸盐塔作为代表。这些类型的塔通常在高达约600℃的温度下工作。用高于600℃的工作温度可以实现较大的发电效率。利用常规的CSP策略难以实现超过600℃的工作温度。
已经以若干形式提出了用于驱动化学反应的聚光太阳能塔。一个已知的想法利用聚集的太阳光生成热以分解生物质，例如在美国专利申请2010/0249468中描述的。另一已知的方法特征在于利用聚集的太阳光使水通过与催化剂的相互作用而经历光分解，例如在美国专利4,045,315中描述的。其他的技术利用聚集的太阳光和还原/氧化循环以由水产生氢气或由二氧化碳产生一氧化碳气体，例如在美国专利申请2009/0107044中描述的。前述化学方法不是特别适合利用已知的基于动力循环的动力涡轮机来发电。
使聚光太阳能发电系统的发电设备的效率最大化很重要，这是因为对于相同的净能量产量其通过需要较小的太阳能场和接收器而使整个系统的资金成本减少。在聚光太阳能发电塔中，总的太阳能至电能的效率为太阳能场效率、接收器(太阳能至热能)效率、存储效率、以及动力循环(热能至电能)效率的乘积。热能至电能转换系统在可比较的温度下与化石燃料系统非常相似，然而，由于较低的工作温度，太阳能动力循环的转换效率通常比联合循环燃气设备的转换效率小得多。
本文中公开的实施方案旨在为了克服上面讨论的一个或更多个问题。
发明内容
本文中公开的实施方案包括耦合有热能路径和化学能路径的聚光太阳能发电(CSP)系统和方法。热路径利用传热流体以在中温下收集聚集的太阳光作为热能，并且将该能量传递至热-电动力循环。并行地，化学路径利用在接收器中经历直接光致还原的氧化还原材料以将太阳能存储为化学势。然后这种氧化还原材料在与热路径热交换器串联的动力循环中在很高的温度下氧化。这种耦合使得接收器能够使目前工艺水平的典型热电塔以高效率运行，同时实现典型的天然气燃烧设备的动力循环效率并且实现很高的总的太阳能至电能的转换效率。
所公开的一种实施方案为一种CSP系统，其包括：太阳能接收器，其配置成接收聚集的太阳能通量；以及一定量的传热流体(HTF)，其与太阳能接收器热连通使得聚集的太阳能通量加热HTF。该系统还包括与HTF热连通的热交换器，所述热交换器提供HTF与发电循环的工作流体之间的热交换。另外，该系统还包括在耦合到热路径的化学路径中流动的化学储能材料。化学储能材料还与太阳能接收器连通使得聚集的太阳能通量使一定量的化学储能材料在氧化还原反应的还原部分中还原。因而，化学储能材料能够可替代地被称为氧化还原材料。
所述系统还包括与化学储能材料连通的氧化器，所述氧化器提供化学储能材料的放热氧化并且还提供化学储能材料与动力循环的工作流体之间的热交换。因而，该系统利用并行能量路径，一个热路径和一个化学路径。耦合在太阳能接收器处的两个路径的使用得到了高效率的CSP设备。
该系统还可以包括与HTF管道可操作地关联的热能存储。另外，该系统可以包括独立的化学能存储，其包括：从太阳能接收器可操作地接收经还原的化学储能材料的还原的化学存储系统；和/或从氧化器接收经氧化的化学储能材料的氧化的化学存储系统。
本文中公开的可替代的实施方案包括一种具有一定步骤的发电方法，所述一定步骤可以以任意合适的顺序执行并且通常以循环的方式执行。该方法实施方案通过提供配置成接收聚集的太阳能通量的太阳能接收器开始。任意合适类型的HTF与太阳能接收器以流动、传输或者以其他方式热连通，在太阳能接收器中用聚集的太阳能通量对HTF进行加热。然后经加热的HTF在传热流体管道中从太阳能接收器流动或传输至热交换器。在热交换器中，经加热的传热流体与动力循环的工作流体之间进行热交换。
在并行循环中，与太阳能接收器连通的化学储能(氧化还原)材料受聚集的太阳能通量辐射，因此使得一定量的化学储能材料还原。然后经还原的化学储能材料在太阳能接收器和氧化器元件之间流动和传输。在氧化器中，化学储能材料被氧化使得释放热能。释放的热能与动力循环中的工作流体进行交换。然后可以利用动力循环的经加热的工作流体进行发电。
公开的实施方案均以热能路径和化学能路径双路径为特征。可以以任意类型的聚光太阳能发电装置并且可以用任意类型的一个或多个发电循环来实施该实施方案。
附图说明
图1为示出现有技术CSP系统的简化的系统示意图。
图2为示出如本文中所描述的具有热能路径和化学能路径的系统的一个实施方案的简化的系统示意图。
图3为示出氧化还原循环的示意图。
图4为示出适合于利用本文中公开的系统实施的代表性的动力循环的简化的动力循环示意图。
图5为示出本文中公开的耦合的路径是如何减少辐射损失的简化的接收器示意图。
图6为示出可替代的接收器的设计的简化的系统示意图。
图7为如本文中所公开的代表性的方法的流程图表示。
具体实施方式
除非另外指出，否则在说明书和权利要求中使用的表示成分的量、尺寸、反应条件等的所有数字将被理解为在所有情况下都可以由术语“约”来修饰。
在本说明书和权利要求中，除非另外地指出，否则单数的使用包括复数。另外，除非另外地指出，否则“或”的使用意指“和/或”。此外，术语“包括”以及其他形式例如“包含”和“含”的使用是非限制性的。此外，术语例如“元件”或“部件”包括：包含一个单元的元件和部件以及包含多于一个单元的元件和部件两者，除非具体地另外指出。
如上所述，在与联合循环燃气发电设备相比较时，已知的CSP系统通常在明显较低的总体效率下工作。CSP系统的降低的效率主要是由于较低的工作温度。为了使总体的太阳能电厂效率最大化，有利的是利用能够将循环燃气系统与CSP设备结合的高效动力循环，假设这可以实现而不损害CSP设备的平衡。这个目标无法在目前工艺水平的太阳能发电塔(例如硝酸盐塔或过热蒸气塔)中实现。在这些塔中，能量路径是严格的热能的，意味着从接收器传递至动力循环的所有能量是作为热能传递的。在图1中示出了常规的CSP系统中代表性的能量流动。太阳辐射由太阳能场聚集。聚集的太阳辐射作为热能传递至接收器并且利用中间的传热流体俘获。然后将热能作为储备热的传热流体存储在大罐中。在需要的时候，将热的传热流体经由热交换器送至动力循环。最终，以热力学动力循环的形式将热能转换成电能。
在已知的CSP设备配置中，驱动接收器的因素和动力循环效率根本上互相对抗。动力循环的效率随着传热流体的入口温度而增加。然而，由于较高的对流和辐射热损失，太阳能接收器的效率随着温度的升高而下降。另外，由于盐分解和接收器材料限制，接收器具有绝对温度限制。因为动力循环和接收器温度在设备中根本上仅与热能路径耦合，所以无法实现非常高的总体系统效率。
本文中公开的系统和方法的实施方案在高效聚光太阳能发电(CSP)装置中利用并行能量路径，一个热路径和一个化学路径。如图2所示，代表性系统100包括与太阳能接收器104热连通的由传热流体构成的一个或更多个热路径102，所述传热流体为例如蒸气/水、熔融盐或固态盐、熔融金属或固态金属、油、相变材料或其他合适的HTF。太阳能接收器104通常与中心收集塔相关联并且接收由定日镜的场反射的聚集的太阳能通量。然而，本文中公开的方法可以用其他的CSP设计实施，包括但是不限于抛物线型槽系统、线性菲涅尔(linear Fresnel)系统、以及盘/引擎系统。
在传热流体管道108中，在太阳能接收器104处被加热的HTF流动或传输至热交换器106。重要的是，注意尽管在本文中使用传热流体(HTF)的常规术语，但是可以用液态、固态、气态或相变HTF实施该系统和方法。因而，传热流体管道108可以为适合于控制流体流动的管或导管和阀的系统，或者传热流体管道108可以为适合于传输固体的任何类型的系统。传热流体管道108可以包括一些流体流动区段和一些固体传输区段。
在热交换器106中，热能在HTF与动力循环的工作流体之间交换。热交换器可以具有需要提供HTF与发电循环工作流体之间的热交换的任意类型或任意水平的复杂度。为了技术方便，在附图中作为简单的示意性元件描述和示出了热交换器106和其他子系统。商业系统的所有元件均可以用更多复杂的装置来实现。如在图2中一般性示出的，被加热的工作流体驱动发电循环110。因此，工作流体直接地或者通过中间动力循环流体转换成机械能，然后转换成电能。
本文中公开的系统100和方法还包括并行的化学能路径，其包含经历可逆的还原和氧化反应的化学储能材料(本文中可替代地被称为“氧化还原材料”)。具体地，氧化还原材料在接收器104中还原并且在氧化器112中氧化。氧化器或相关联的装置还提供与动力循环110的工作流体的热交换。氧化还原材料在化学储能材料管道114中在接收器与氧化器之间流动或传输，如在上面关于HTF管道108的描述一样，化学储能材料管道114可以配置成用于流体流动或固体传输。
如上所述，在接收器104中氧化还原材料被高浓度的入射光子直接光致还原，因而氧化还原材料将吸收的电磁能量存储为化学势。在氧化器112中，氧化还原材料氧化，从而释放高温热能。在图3中示出了这种类型的化学过程的代表性图示并且在下面进行了描述。重要的是，注意氧化器元件112通常利用比图2中示出的元件明显更加复杂的装置实施。例如，氧化器112可以包括独立的氧化室、空气或气体供给、流化床、热交换器以及其他元件。
通常，当例如用现有技术的蒸气或熔融盐接收器实施时，CSP系统实现了一定水平的效率。另外，用燃烧动力循环实现的发电设备具有很好的性能(例如，联合循环天然气设备)。本文中描述的耦合的热-化学结构使得CSP系统能够利用两种发电技术而没有任何化石燃料的损耗或对环境有害的排放。因而，公开的系统和方法在增加的热电转换效率方面部分地因氧化过程的高温而具有超过已知的现有技术的CSP设备的优点。例如，典型的基于蒸气或熔融盐的CSP发电设备实现40％至44％的热电效率。如图2所示并且在下面详细描述的，所公开的系统和方法可以实现适合于驱动具有约60％的总体效率的发电系统的温度，所述60％的效率更加接近于联合循环天然气设备所表现出的效率。
上述化学能路径代表CSP工业中的新系统结构。然而，热路径通过加热和冷却传热流体来传递能量，化学路径通过经由吸热反应将能量存储在材料中并且在放热反应中释放能量来传递能量。如上所述，化学路径由经受可逆的还原和氧化反应的材料组成。为了说明的目的，在图3中示出了一组可能的反应，但是本文中公开的实施方案可以用许多可替代的氧化还原材料实现。
如在图3中示例性示出的，代表性的氧化还原循环特征在于发生在太阳能接收器中的还原步骤(顶部框)。光子撞击经氧化的材料并且将其分解为经还原的材料和游离氧。这个步骤仅取决于直接提供能量以破坏金属原子与氧原子之间的化学键的光子。经还原材料(在这个实施例中为MnO)被传输到存储罐。当需要时，经还原材料被传输至动力循环，在该动力循环中经还原材料在氧气中燃烧释放热量并且通过再现最初的氧化材料来完成循环。
通过化学键的能量与光子的能量之间的平衡来控制前述代表性的氧化还原过程。键能通常用吉布斯自由能ΔG描述，并且驱动吸热反应需要的能量或通过放热反应释放的能量可以用式1来计算。
ΔG反应＝Σ系数产物ΔＧ产物-Σ系数反应物ΔＧ反应物    式1
可以从化学文献、NIST数据库或其他资源中获得参考ΔG值。系数根据平衡的化学式得到。对于待发生的直接光致还原反应，引起反应的光子的能量必须高于驱动反应所需要的自由能。为了对能量进行比较，可以根据式2来计算光子的能量。
E = hc λ           式2
其中h为普朗克常数，c为光速，λ为光子的波长。可用于太阳能收集的光子一般在可见光范围，380nm至750nm。
已经利用式1和式2检验了适合用在描述的系统中的几种潜在的氧化还原材料。在表1中呈现了该结果的一个样品。假设反应温度为500℃给出了所有的计算结果。
表1：关于直接光致还原的氧化还原材料的样品计算
根据该表，可以看出铝不是良好的氧化还原材料的选择，这是因为其氧化物不能通过可见光还原。钴氧化物和镍氧化物不能从光谱的整个红色端吸收而是能够俘获大部分可获得的能量。可替代地，锰氧化物不吸收可见光的全部能量用于反应，因此一些光子能量反而被转换成动能或热能。
用于所述系统的理想的化学能存储(氧化还原)材料将具有如下四个特征：
·在紫外和可见光光谱中高的吸收率，从而吸收尽可能大量的光。
·氧化状态与还原状态之间的能量差稍微小于可见光谱光子的能量，从而最大量的能量将被从电磁能转换成化学势。
·在较低温度下低的氧化率以及在没有点火机制的情况下在期望的时间之前的再氧化最小化。
·在动力循环的条件下高的氧化率以使效率最大化。
先前已经确定了在不同程度上呈现出这些特征的几种材料。一般地，最熟知的材料为过渡金属氧化物。例如，锰氧化物和钴氧化物加上铁氧化物和铝氧化物先前已经被确认为用于直接光致还原技术的主要候选材料。例如参见General Atomics.“Thermochemical heat storage for concentratedsolar power based on multivalent metal oxides.”DOE Program Review,2011年5月.http://www1.eere.energy.gov/solar/csp_pr2011.html 2011年12月19日访问，该公开的全部内容并入本文。然而，热损失管理被确定为在上面的回转窑反应器研究中的一个问题。另外地，经历还原的材料的分数低，约为3％，这导致了高的资本成本。
本文中公开的系统和方法利用太阳光子以对氧化还原材料进行直接光致还原。该能量在电磁(太阳光子)状态与化学势状态之间不经历热状态。事实上，公开的技术利用在低于1400℃下不进行热化学分解的材料工作得最好，该温度为比用已知的CSP技术实现的温度热得多的期望的动力循环热温度。
可以利用本文中公开的系统和方法驱动任何类型的发电循环。然而，最适合在接近或高于60％的效率下工作的已知的动力循环为空气布雷顿循环或其变形。在图4中示出了一种可能的代表性的和非限制性的动力循环布局400的高度简化的图。图4的实施例布局示出了上述热源和化学热源是如何被集成到与蒸气兰金底部循环404相结合的空气布雷顿动力循环402中的。如上所述，还可以使用其他的动力循环。如果工作流体包含氧化剂那么可以实现一定的优点。例如，可以使用开放回路超临界二氧化碳或蒸气循环，其中CO2或H2O可以分别被还原为CO或H2，其将被用于液体燃料发电或作为燃料电池的燃料。
在图4的实施方案中，上部开放式空气布雷顿循环利用空气作为工作流体和氧化剂。空气最初被压缩在压缩机406中，压缩机406通过到下游涡轮机408的机械连接驱动。来自压缩机406的压缩空气通过与热交换器106中的HTF的热交换而被加热。经加热和经压缩的空气对在氧化器112中的化学储能材料进行氧化并且因而通过与化学储能材料的直接接触或非直接热交换进一步被加热，这是因为化学储能材料在放热的氧化反应期间释放热。现在高温空气驱动一个或更多个涡轮机408，进而涡轮机408驱动压缩机406和一个或更多个发电机(在图4中未示出)以产生电能。
图4的实施方案还包括接收来自涡轮机408的出口的稍微冷却的空气的下部蒸气兰金底部循环404。在换热器/热交换器410中使空气与第二工作流体例如蒸气之间进行热交换。然后被加热的蒸气驱动第二涡轮机412或第二系列的涡轮机，涡轮机进而驱动一个或更多个发电机以产生电能。离开涡轮机412中的蒸气在冷凝器414中凝结并且作为水通过泵416泵送回换热器/热交换器410。
热化学和直接光致还原化学接收器的低效率的来源之一为还原阶段期间的热损失。在如本文中描述的耦合的热-化学接收器中，通过热接收器可以再次捕获来自氧化还原材料的一些或大部分的热损失，并且在接收器的出口处的氧化还原材料中存储的任何残余的热被传递回以预热进入接收器的冷却的HTF。
在图5中示出了表明具有改进的热损失管理的接收器设计的图。入射的太阳辐射(如箭头502所示)聚集在接收器104上，在接收器104上一些光子被氧化还原材料(点504)吸收。大部分剩余的入射光子被热接收器(如板506所示)吸收。HTF在吸收热的板506中流动。被氧化还原材料吸收的光子中的一些引起光致还原而其他的直接加热氧化还原材料。这些吸收的热中的一些被辐射和损失在环境中，但是一些通过热接收器被再次吸收(通过虚线箭头508示出)。相似地，一些来自热接收器的辐射损失将通过氧化还原材料被再次吸收。因为与热接收器相比氧化还原材料将处于较低的温度，通过环境看到的平均表面温度将低于热接收器表面温度，因而减少了总辐射热损失。因此，尽管光致还原步骤的效率相对较低，但是接收器仍将保持高的总效率。
图5的接收器实施方案耦合了具有HTF冷却的传统的腔接收器管板的氧化还原材料的重力给料帘。可替代地，如图6所示，接收器元件可以被实现为旋转腔接收器104，其中通过HTF对壁进行冷却并且挡板被用于使氧化还原材料600穿过腔空间不断落下。在图6的构造中，氧化还原材料颗粒被包含在一个或更多个旋转腔接收器602中。随着接收器602旋转，颗粒600被搅拌并且穿过空间落下，吸收太阳辐射。一些光子将通过反应器壁而不是通过颗粒被吸收并且将被转换成热。将通过热路径的热传流体604对反应器壁进行冷却。该构造使得辐射和对流热损失最小化和使得对太阳能到热能和化学能的转换的最大化。
耦合的热-化学路径系统的另一优点为并行的热系统和化学系统可以用于在不同的时间尺度上存储能量。热CSP系统，例如熔融盐塔，提供相对低成本的短周期(以天计)热能存储。例如，参照图2，经加热的HTF可以被直接存储在热的热存储系统116中，热的热存储系统116与在热交换器106之前从接收器104接收流体的HTF管道108可操作地关联。可替代地，经加热的HTF可以被用于通过在热的热存储系统处的热交换来加热独立的热存储介质。然后在低太阳光通量时间段期间例如在夜晚或者在云覆盖的期间，可以将热从热的热存储系统116提供至HTF。相似地，冷却的HTF被存储或者用于加热在冷的热能存储系统118中的独立的热存储介质。冷的热能存储系统118可以与HTF管道108可操作地关联以接收从热交换器106至接收器104的流并且在上述的较低的太阳辐射时间段期间使用。
所公开的并行的化学系统使得能够长期(季节的)存储，这是因为氧化还原材料不在高温下存储，并且因此不经受存储期间的热损失。例如，还如图2所示，经氧化的或经还原的氧化还原材料可以分别在经氧化的化学存储材料的存储系统120和经还原的化学存储材料的存储系统122中存储很长一段时间。化学存储系统120和化学存储系统122两者均可与化学储能材料管道可操作地关联，其中经氧化材料的存储系统在氧化器112的下游，经还原材料的存储系统在接收器104的下游。
系统100的一个代表性的实施方案利用铝硅(AlSi)相变材料(PCM)作为HTF或者在这个实施例中作为传热材料。与蒸气或硝酸盐相比，AlSiPCM可以达到较高的温度，从而提供改善的接收器性能。较高的温度是有利的，这是因为在通过高效热接收器提供大多数的系统热需求时，该系统将运行地最好。
如上所述，公开的系统和方法可以在发电塔配置中有利地实现，所述发电塔配置由聚集在塔结构的顶上的接收器上的定日镜场构成。AlSiPCM(或其他合适的HTF)和氧化还原材料将从接收器被传输至在塔的基部处的存储容器或存储系统。然后当需要发电的时候可以将PCM或其他合适的HTF和氧化还原材料传输至动力循环。
如上所述，一个合适但非排他的热电转换系统为具有蒸气兰金底部循环的开放的空气兰金动力循环。进入的空气被压缩至高压，通过热交换器用AlSi PCM或其他HTF来将空气加热至中温，然后通过氧化室来使氧化还原材料氧化并且将空气加热至很高的温度。高度加热的空气将被用于给涡轮机和发电机供电。排出的空气将被用作经由热回收蒸气发电机的典型的蒸气底部兰金循环的热源。
公开的实施方案还包括发电方法，例如在图7中示出的发电方法700。图7的方法包括可以以任意合适的顺序执行并且通常将以循环的方式执行的几个步骤。该方法通过提供配置成接收聚集的太阳能通量的太阳能接收器(步骤702)开始。任意类型的传热流体流动、传输或者以其他方式与太阳能接收器进行热连通，在太阳能接收器中用聚集的太阳能通量对HTF进行加热(步骤704)。然后将经加热的HTF在传热流体管道中从太阳能接收器流动或传输至热交换器(步骤706)。在热交换器中，在经加热的传热流体与动力循环的工作流体之间进行热交换(步骤708)。
在并行循环中，与太阳能接收器连通的化学能存储(氧化还原)材料被聚集的太阳能通量辐射，因此引起一定量的化学储能材料还原(步骤710)。然后经还原的化学储能材料在化学储能材料管道中在太阳能接收器与氧化器元件之间(步骤712)流动和传输。在氧化器中，化学储能材料被氧化引起热能的释放(步骤714)。释放的热能与动力循环的工作流体进行交换(步骤716)。然后可以利用动力循环的经加热的工作流体进行发电(步骤718)。
总之，与任意其他的已知的CSP技术相比，本文中描述的以耦合的热路径和化学路径为特征的系统和方法将潜在地获得较高的整体太阳能至电的转换率。这将转化为直接资金成本和LCOE节约，这是因为每个部件可以针对选定比例的发电按比例缩小。在表2中可以发现所公开的技术与现有技术和改进的CSP技术的比较。在该表中的所有值为对目标值的估计，并且许多值迄今还没有被商业上证实。
表2提出的技术与现有技术和改进技术(估计的目标值)的比较
除了在低成本下的高系统效率之外，耦合的化学-热路径系统和方法还提供了两个其他的显著的益处。首先，如上详细描述的，两个能量路径提供了能量存储的两种方式。热路径可以利用任意存在的热存储系统用于短期存储。CSP保持超过风和光伏技术是重要优势，这是因为其使得CSP设备能够匹配减少LCOE时的需求。所描述的系统还可以将长期化学存储结合廉价的短期存储以匹配季节性的需求。一旦被还原，氧化还原材料可以被存储在惰性环境中很长的一段时间并且在需要时用于发电。这还将使得CSP在可获得很少的可再生能源发电情况下来满足电网需求。
第二附加的益处为生成合成气的能力。除了在动力循环中利用空气作为氧化剂，氧化还原材料可以用二氧化碳或蒸气分解以产生一氧化碳或氢气。同时，这两种气体构成可以用于产生液态燃料的合成气。该过程可能降低系统的发电能力，但是可以是产生可再生的碳中和燃料的相对有效的方式。
本公开的各种实施方案还可以包括在权利要求中记载的各种元件的置换，如同每个从属权利要求为与前述从属权利要求中的每一个以及独立权利要求的限制结合的多个从属权利要求。这样的置换明显地在本公开的范围内。
尽管已经参照许多实施方案具体地示出和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解的是：在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文中公开的实施方案作出形式和细节的改变，并且本文公开的各种实施方案不旨在作为对权利要求范围的限制。本文中所引用的参考文献通过引用将其全部内容并入本文中。

Claims (18)

1.一种聚光太阳能发电系统，包括：
太阳能接收器，其被配置成接收聚集的太阳能通量；
传热流体，其与所述太阳能接收器热连通使得聚集的太阳能通量对一定量的所述传热流体进行加热；
热交换器，其与所述传热流体热连通，所述热交换器设置为用于所述传热流体与动力循环的工作流体之间的热交换；
传热流体管道，其设置为用于传热流体在所述太阳能接收器与所述热交换器之间的流动或传输；
化学储能材料，其与所述太阳能接收器连通使得聚集的太阳能通量使一定量的所述化学储能材料还原；
氧化器，其与所述化学储能材料连通，所述氧化器设置为用于氧化所述化学储能材料并且还用于在所述化学储能材料与所述动力循环的所述工作流体之间的热交换；以及
化学储能材料管道，其设置为用于化学储能材料在所述太阳能接收器与所述氧化器之间的流动或传输。
2.根据权利要求1所述的聚光太阳能发电系统，还包括与所述传热流体管道可操作地关联的热能存储系统。
3.根据权利要求2所述的聚光太阳能发电系统，还包括：
热的热能存储系统，其接收来自所述太阳能接收器的经加热的传热流体；以及
冷的热能存储系统，其接收来自所述热交换器的经冷却的传热流体。
4.根据权利要求1所述的聚光太阳能发电系统，还包括：
经还原的化学储能材料的存储系统，其与所述化学储能材料管道可操作地关联并且接收来自所述太阳能接收器的经还原的化学储能材料；以及
经氧化的化学储能材料的存储系统，其与所述化学储能材料管道可操作地关联并且接收来自所述氧化器的经氧化的化学储能材料。
5.根据权利要求1所述的聚光太阳能发电系统，其中所述传热流体包括水、固态盐、熔融盐、固态金属、熔融金属和油中的一种或更多种。
6.根据权利要求1所述的聚光太阳能发电系统，其中所述传热流体包括铝硅相变材料。
7.根据权利要求1所述的聚光太阳能发电系统，还包括：
支承所述太阳能接收器的塔；以及
定日镜场，其具有被定位成将太阳光聚焦在所述接收器上的定日镜。
8.根据权利要求1所述的聚光太阳能发电系统，其中所述动力循环包括：
开放式空气布雷顿上部动力循环；以及
蒸气兰金底部循环。
9.根据权利要求1所述的聚光太阳能发电系统，其中所述动力循环的所述工作流体包含氧化剂。
10.一种发电方法，包括：
提供配置成接收聚集的太阳能通量的太阳能接收器；
利用所述聚集的太阳能通量对与所述太阳能接收器热连通的传热流体进行加热；
使所述传热流体在传热流体管道中在所述太阳能接收器与热交换器之间流动或传输；
在所述热交换器内使经加热的传热流体与动力循环的工作流体之间进行热交换；
通过用聚集的太阳能通量辐照化学储能材料来还原与所述太阳能接收器连通的所述化学储能材料；
使经还原的化学储能材料在化学储能材料管道中在所述太阳能接收器与氧化器之间流动或传输；
使经还原的化学储能材料在氧化器中氧化，所述氧化器还用于所述化学储能材料与所述动力循环的所述工作流体之间的热交换；以及
利用所述动力循环的所述工作流体进行发电。
11.根据权利要求11所述的方法，还包括将传热流体存储在与所述传热流体管道可操作地关联的热能存储系统中。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将从所述太阳能接收器接收的经加热的传热流体存储在热的热能存储系统中；以及
将从所述热交换器接收的经冷却的传热流体存储在冷的热能存储系统中。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将从所述接收器接收的经还原的化学储能材料存储在经还原的化学储能材料的存储系统中；以及
将从所述氧化器接收的经氧化的化学储能材料存储在经氧化的化学储能材料的存储系统中。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述传热流体包括水、固态盐、熔融盐、固态金属、熔融金属和油中的一种或更多种。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述传热流体包括铝硅相变材料。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括：
提供用于支承所述太阳能接收器的塔；以及
提供定日镜场，所述定日镜场具有被设置成将太阳光聚焦在所述接收器上的定日镜。
17.根据权利要求11所述的方法，还包括利用动力循环进行发电，所述动力循环包括：
开放式空气布雷顿上部动力循环；以及
蒸气兰金底部循环。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括利用所述动力循环的所述工作流体中的氧化剂氧化所述氧化器中的所述经还原的化学储能材料。
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