CN104919253A - 基于氮的热存储介质 - Google Patents

Abstract

一种用在间接和直接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法，所述方法涉及使用氮气作为热存储介质，用于在没有或几乎没有太阳辐射的情况下进行热传递，以产生将水转化为蒸汽并发电所需的热量。

Description

基于氮的热存储介质

相关申请的交叉引用

本申请针对2013年1月21日提交的第61/754,766号美国临时申请主张权利。

技术领域

本发明总体上涉及用在聚光式太阳能发电厂中的热存储系统，尤其涉及基于氮的热存储介质。

背景技术

减少二氧化碳排放的全球性迫切需求以及全球变暖刺激了对替代能源的关注。为了支持无污染的替代能源，使用基于石油的产品-例如煤、天然气、油等-的常规发电厂正在淡出人们视野。新核电站的设计和建造在2011年日本福岛第一核电站事故后需要接受额外的详细的审查。太阳能和风能已经开始被视为核能、燃煤和燃气发电的可行替代品。大规模太阳能和风能发电装置已在建设中或已投入使用。越来越多的投资为风能和太阳能发电厂的设计创新注入了能量。市场上出现了成本更低但性能更佳的材料。使用不昂贵部件的改进型设计使发电厂的效能得以改善，成本得以降低。这种趋势每年都在继续，带来了积极效果。

作为替代能源的主要组成部分，太阳能发电厂可以为光伏式(“PV”)或聚光式(“CSP”)。

光伏式发电厂是通过使用具有光伏效应的半导体将太阳辐射转化为电能来发电的。所述PV发电厂包括大量的太阳能板，各块板上包括大量的太阳能电池，所述太阳能电池含有光伏材料。材料和制造技术的进步大幅降低了太阳能板的成本。

CSP发电厂使用大量的镜子或透镜将阳光聚集在一小块区域。来自被聚集的太阳能的热量被用于直接或间接的将高压水转化为蒸汽。高压蒸汽驱动蒸汽涡轮发电机发电。

在塔式CSP发电厂中，镜子将太阳能聚集至安装在塔顶部的锅炉管。高压水在所述锅炉管内部流动。被聚集的太阳能在所述锅炉管内将高压水转化为蒸汽。这是直接将高压水加热成蒸汽的机理。

在抛物镜CSP发电厂中，抛物镜将太阳能聚集至在中央接收管中流动的传热流体(下称“传热流体”)。被聚集的太阳能将所述传热流体加热。来自所述传热流体的能量被用于在单独的大型热交换器中将高压水转化为蒸汽。这是间接将高压水加热成蒸汽的机理。

所述聚光式发电厂在白天运行，在夜间必须关闭。所述发电厂的效能经常在被云层覆盖时受到影响。需要其它发电厂的电来抵消太阳能发电厂在夜间或云层覆盖时的输出损失。

所述太阳能发电厂在夜间的电能损失常常通过热存储来避免。在白天，部分被收集的太阳能被用于将热存储材料加热至高温并被存储在大型绝缘容器中。在夜间，来自所述热存储材料的能量被用于直接或间接的将高压水加热成蒸汽。高压蒸汽驱动蒸汽涡轮发电机发电。

熔盐是目前选用的热存储材料。在白天，用太阳能将盐加热至高温。处于高温的熔盐被存储在大型绝缘容器中。在夜间，来自熔盐的能量被用于直接或间接的将高压水加热成蒸汽。高压蒸汽驱动蒸汽涡轮发电机发电。

热存储需要非常大的量的熔盐。采购熔盐并将之运输至位于偏远地区的太阳能发电厂很有挑战性。盐是化肥产业的主要材料，盐制造商非常不愿意将数年的生产配额转给太阳能发电厂。熔盐在550华氏度就会凝固。如果在夜间或寒冷的白天在管路、阀门或其它部件中凝结将会导致一整套的新问题。为了避免凝固问题，整个熔盐容器、热交换器和管路都必须绝缘。这导致额外的成本和风险。盐组合物中的杂质将会改变熔化温度和热性质，从而影响整个热存储设计。因此，本领域需要开发出一种有效的热存储系统，这种系统不会受与熔盐或本领域的技术人员使用的其它基质相关的问题困扰。

发明内容

根据本发明，可以通过一种用在直接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法来获得前述和其它目标和优点，所述方法包括：使氮流经接收白天所聚集的太阳辐射所传递的热能的锅炉管的一部分；将被加热的氮存储在与所述锅炉管相连的一个或多个容器中；在夜间，将所述被加热的氮从所述一个或多个容器引导(route)至氮-水-蒸汽热交换器(“NWSHX”)，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将加压水转化为蒸汽。在氮-水-蒸汽热交换器中，所述被加热的氮在一排管内流动，高压水和蒸汽则在所述管外流动。

根据本发明的另一个方面，除了上述的发明，所述另一种热存储和传递方法进一步包括传递来自太阳的热能以仅用于加热所述锅炉管内流动的氮，使用所述被加热的氮中的一部分的热能在热交换器中将水转化为蒸汽。加压蒸汽流经蒸汽涡轮发电机发电。在本发明的这一方面，位于太阳能塔顶部的锅炉需要被设计为仅加热氮，而不是同时加热氮和水，从而简化了锅炉设计。

剩余的氮被存储在与所述锅炉管相连的一个或多个容器中；在夜间，将所述被加热的氮从所述一个或多个容器引导至氮-水-蒸汽热交换器，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将加压水转化为蒸汽。

根据本发明的另一个方面，还有一种用在间接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法，所述方法包括：在太阳能场利用太阳能加热传热流体；将被加热的传热流体引导进入氮热交换器，其中来自所述传热流体的热能被用于加热氮；将被加热的氮存储在一个或多个容器中并在夜间将来自所述一个或多个容器的被加热的氮引导至氮-水-蒸汽热交换器，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将水转化为蒸汽。

根据本发明的另一个方面，还有一种用在间接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法，所述方法包括：在太阳能场通过太阳能加热传热流体和氮。被加热的传热流体被引导至热交换器，其中来自所述被加热的传热流体的热能被用于将高压水加热成为蒸汽。被加热的氮被引导并存储在一个或多个容器中，在夜间所述被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将水转化为蒸汽。所述氮可以被加热至大幅度地高于所述传热流体的温度的温度，从而以更少的氮量获得更高的效率。

根据本发明的另一个方面，还有一种用在间接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法，所述方法包括：在太阳能场通过太阳能仅加热氮；部分被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将高压水加热成蒸汽。剩余的被加热的氮被引导并存储在一个或多个容器中。在夜间，来自所述存储容器的被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器，其中来自所述氮的热能被用于将高压水转化为蒸汽。所述氮可以被加热至大幅度地高于所述传热流体的温度的温度，从而以更少的氮量获得更高的效率。

根据本发明的另一个方面，所述热存储和传递方法还包括使用加压氮，以减小氮存储体积以及减少存储容器的数量。

根据本发明的另一个方面，用于在白天和夜间运行中传递来自于被加热的氮的热能以将水转化为蒸汽的所述热交换器可以为两个独立的热交换器、单一热交换器或是由两个热交换器构成的单一装置。

附图说明

本发明将通过下述附图仅以示例方式显示的具体实施方式的描述变得更加清晰易懂。

图1是详示根据本发明的一个具体实施方式的直接加热太阳能发电厂的日/夜运行的示意图。日间运行以粗黑线表示，夜间运行以虚线表示；

图2是详示根据本发明的另一个具体实施方式的直接加热太阳能发电厂的日/夜运行的示意图。日间运行以粗黑线表示，夜间运行以虚线表示；

图3是详示根据本发明的另一个具体实施方式的间接加热太阳能发电厂的日/夜运行的示意图。日间运行以粗黑线表示，夜间运行以虚线表示；

图4是详示根据本发明的另一个具体实施方式的间接加热太阳能发电厂的日/夜运行的示意图。日间运行以粗黑线表示，夜间运行以虚线表示；

图5是详示根据本发明的另一个具体实施方式的间接加热太阳能发电厂的日/夜运行的示意图。日间运行以粗黑线表示，夜间运行以虚线表示。

具体实施方式

参见附图，其中在多张图中相同或类似的标号表示相同或类似的组成部分。图1是直接加热太阳能发电厂(基本上以标号10表示)的日夜运行的示意图。锅炉30位于太阳能塔的顶部。在日间，聚集的太阳辐射指向锅炉30的锅炉管40的外表面，所述锅炉管40承载着高压水。聚集的太阳能将水转化为蒸汽，所述蒸汽流经发电的装置（蒸汽涡轮50和发电机60）。来自蒸汽涡轮50的低压蒸汽在冷凝器70中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵20并被引导回锅炉管40。

来自一个或多个冷藏罐80的冷却的氮被氮泵90抽取并被引导至所述锅炉管的一部分100。聚集的太阳能加热在所述锅炉管内流动的氮。被加热的氮被存储在一个或多个氮存储罐110中。

在夜间(或是在其它低光条件下)，来自一个或多个热氮存储罐110的被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器120，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将加压水转化为蒸汽。加压蒸汽在蒸汽涡轮50和发电机60的装置中生成电能。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器70中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵20并被引导回锅炉管40或氮-水-蒸汽热交换器120。同时，冷却的氮回到所述一个或多个冷却氮存储罐80。

本发明的优点在于使用熔盐带来的问题可以通过使用氮作为热存储介质予以解决。使用氮的优点包括简单易得，因为地球大气80%是氮。无需将氮运输至偏远的太阳能发电厂位置。氮抽取装置并不昂贵而且容易获得，可以以低成本直接安装在太阳能发电厂，以从大气中抽取氮。另外，氮的热性质在广范围的压力和温度条件下都是稳定的。为了实现本发明，氮气可以被压缩并存储在现有技术中已知的圆柱形压力罐中。将氮压缩或对氮加压使其存储体积更小，从而需要更小的存储罐。一般情况下，太阳能发电厂位于沙漠或其它人口密度很低的区域。太阳能场占据了大片土地。含有被加热的氮容器可以被置于地上或太阳能场下方的地下。地下存储解决了存放充满氮的压力罐所需的额外空间的问题(如果存在空间问题的话)。另外，氮不会凝固，在聚光式太阳能发电厂典型的压力和温度条件下处于不可燃气体状态。这就彻底解决了“盐凝固”的问题。最后，热交换器、阀门、管道的泄漏不会导致安全隐患。如果出现泄漏，氮气将回到它来的地方-大气。

如图1所示，在直接加热日间运行中，所述氮-水-蒸汽热交换器120处于闲置状态。在夜间，位于所述太阳能塔顶部的锅炉处于闲置状态。

图2显示了根据本发明的另一个具体实施方式的直接加热太阳能发电厂(基本上以标号210表示)的日/夜运行的示意图。锅炉340位于太阳能塔的顶部。在日间，聚集的太阳辐射指向锅炉管280的外表面，所述锅炉管280含有被氮泵270加压的氮。离开锅炉管280的被加热的氮进入氮-水-蒸汽热交换器230，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将高压水转化为蒸汽。高压蒸汽在装置（蒸汽涡轮240和发电机250）中发电。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器260中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵220并被引导回氮-水-蒸汽热交换器230。

来自一个或多个冷却氮存储罐310的氮被氮泵320抽取并被引导至锅炉管290。聚集的太阳能将氮加热。被加热的氮流入一个或多个热氮容器300中。

在夜间(或是在其它低光条件下)，来自一个或多个热氮存储罐300的被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器330，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将加压水转化为蒸汽。加压蒸汽在装置（蒸汽涡轮240和发电机250）中生成电能。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器260中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵220并被引导回氮-水-蒸汽热交换器330。同时，冷却的氮回到所述一个或多个冷却氮存储罐310。

虽然没有描述，氮-水-蒸汽热交换器230和氮-水-蒸汽热交换器330可以作为单一热交换器运行。

图3是间接加热太阳能发电厂(基本上以标号410表示)的日/夜运行的示意图。在间接加热中，太阳能场上连绵数英里的抛物镜将太阳能聚集在中央接收管上，所述中央接收管承载有传热流体，一般为重油，被加热至高温。

所述传热流体在太阳能场470中被加热至高温。所述传热流体的一部分进入传热流体-水-蒸汽热交换器430，其中来自所述传热流体的热能被用于将高压水转化为蒸汽。高压蒸汽在装置（蒸汽涡轮440和发电机450）中发电。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器460中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵420并被引导回传热流体-水-蒸汽热交换器430。

来自一个或多个冷却氮存储罐500的氮被氮泵490抽取并被引导至传热流体-氮热交换器480，其中来自所述传热流体的热能被用于加热所述氮。被加热的氮流入一个或多个容器510中。

在夜间(或是在其它低光条件下)，来自一个或多个热氮存储罐510的被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器520，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将加压水转化为蒸汽。加压蒸汽在蒸汽涡轮440和发电机450的装置中生成电能。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器460中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵420并被引导回氮-水-蒸汽热交换器520。同时，冷却氮回到所述一个或多个冷却氮存储罐500。

图4是间接加热太阳能发电厂(基本上以标号610表示)的日/夜运行的示意图。氮和传热流体在太阳能场670中被加热至高温。

所述传热流体进入传热流体-水-蒸汽热交换器630，其中来自所述传热流体的热能被用于将高压水转化为蒸汽。高压蒸汽在装置（蒸汽涡轮640和发电机650）中发电。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器660中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵620并被引导回传热流体-水-蒸汽热交换器630。同时，冷却的传热流体从传热流体-水-蒸汽热交换器630回到所述太阳能场670。

来自一个或多个冷氮存储罐690的氮被氮泵680抽取并被引导至太阳能场670并在其中通过聚集的太阳能被加热至高温。被加热的氮流入一个或多个容器700中。

在夜间(或是在其它低光条件下)，来自一个或多个容器700的被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器710，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将加压水转化为蒸汽。加压蒸汽在装置（蒸汽涡轮640和发电机650）中生成电能。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器660中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵620并被引导回氮-水-蒸汽热交换器710。同时，冷却的氮从氮-水-蒸汽热交换器710回到所述一个或多个冷却氮存储罐690。

图5是间接加热太阳能发电厂(基本上以标号810表示)的日/夜运行的示意图。仅有氮在太阳能场870中被加热至高温。

被加热的氮进入氮-水-蒸汽热交换器830，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将高压水转化为蒸汽。高压蒸汽在装置（蒸汽涡轮840和发电机850）中发电。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器860中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵820并被引导回氮-水-蒸汽热交换器830。同时，冷却的氮从氮-水-蒸汽热交换器830回到所述太阳能场870。

来自一个或多个冷氮存储罐890的氮被氮泵880抽取并被引导至太阳能场870并在其中通过聚集的太阳能被加热至高温。被加热的氮流入一个或多个容器900中。

在夜间(或是在其它低光条件下)，来自一个或多个容器900的被加热的氮被引导至氮-水-蒸汽热交换器910，其中来自所述被加热的氮的热能被用于将加压水转化为蒸汽。加压蒸汽在装置（蒸汽涡轮840和发电机850）中生成电能。来自所述蒸汽涡轮的低压蒸汽在冷凝器860中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵820并被引导回氮-水-蒸汽热交换器910。同时，冷却的氮从氮-水-蒸汽热交换器910回到所述一个或多个冷氮存储罐890。

虽然没有描述，氮-水-蒸汽热交换器830和氮-水-蒸汽热交换器910可以在另外一个实施例中被组合为单一装置。

Claims (11)

1.一种用在直接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法，所述方法包括以下步骤： 从一个或多个冷却氮存储容器释放氮，使氮流经接收白天所聚集的太阳能所传递的热能的锅炉管； 将被加热的氮存储在与所述锅炉管相连的一个或多个热氮容器中； 将所述被加热的氮从所述一个或多个热氮容器引导经过所述锅炉管进入热交换器，其中来自所述被加热的氮的热能被用于在所述热交换器中将水转化为蒸汽。

2.根据权利要求1所述的热存储和传递方法，其中引导所述被加热的氮的步骤在太阳能不足以将氮加热至足够温度从而在所述热交换器中将水转化为蒸汽的暗光时期或夜间进行。

3.根据权利要求1所述的热存储和传递方法，进一步包括以下步骤： 引导氮的另一气流流经接收白天所聚集的太阳能所传递的热能的锅炉管；和 引导被加热的氮的另一气流经过另一热交换器，其中来自所述被加热的氮的另一气流的热能被用于日间运行时在所述另一热交换器中将水转化为蒸汽。

4.根据权利要求1所述的热存储和传递方法，其中所述氮被加压。

5.一种用在间接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法，所述方法包括以下步骤： 在热交换器中将来自被抛物镜加热的传热流体的热能传递给氮；和 将被加热的氮存储在一个或多个热氮容器中。

6.根据权利要求5所述的热存储和传递方法，进一步包括以下步骤： 将被加热的氮从所述一个或多个热氮容器引导至另一热交换器，其中在暗光时期或夜间太阳能不足以将传热流体加热至足够温度以将水转化为蒸汽时，来自所述被加热的氮的热能被用于将水转化为蒸汽。

7.根据权利要求5所述的热存储和传递方法，其中所述氮在一个或多个容器中被加压。

8.一种用在间接加热太阳能发电厂中的热存储和传递方法，所述方法包括以下步骤： 通过抛物镜将太阳能传递给氮；和 将被加热的氮存储在一个或多个热氮容器中。

9.根据权利要求8所述的热存储和传递方法，进一步包括以下步骤： 在低光或黑暗时期将被加热的氮从所述一个或多个热氮容器引导至热交换器； 在所述热交换器中将来自所述被加热的氮的热能传导给水以生成蒸汽。

10.根据权利要求8所述的热存储和传递方法，进一步包括以下步骤：将来自被抛物镜加热的氮的热能传递给热交换器； 为了生成蒸汽，在所述热交换器中将来自被加热的氮的热能传导给水。

11.根据权利要求8所述的热存储和传递方法，其中所述氮被加压。