CN105840440B - 太阳能热电系统 - Google Patents

Abstract

太阳能热电系统包括太阳能接收器，用于根据具有热和冷储存槽罐的热能储存布置来加热热能储存流体，并且被储存和利用。该系统包括蒸气生成器布置，其利用热能储存流体的热量来产生蒸气，以运行涡轮机。该布置包括旁路线，其配置成在日间期间，当太阳能接收器和蒸气生成器布置均处于操作模式时，从蒸气生成器布置使热储存槽罐旁路，并且将热的热能储存流体从太阳能接收器直接供应给蒸气生成器布置，由此回收来自太阳能接收器的下降管热的热能储存流体中可用的所储存势能。

Description

太阳能热电系统

技术领域

本公开一般涉及集中太阳能领域，以及更具体来说涉及具有热能储存流体的集中太阳能热电厂，集中太阳能热电厂利用集中太阳能来储存热能，并且利用所储存热能来生成电力。

背景技术

基于直接蒸气中央接收器(DSCR)的太阳能热电厂包括大定日镜场以及放置在充分高处的塔上的太阳能接收器。定日镜将直射阳光聚焦到太阳能接收器上，以便产生蒸气以用来运行蒸气涡轮机以产生电力。通常，太阳能热电厂在晴朗阳光时间期间以日循环进行操作，而在夜间或者在多云天气关闭。但是，如果太阳能热电厂要满足增加的电力需求，则需要不管太阳能辐射的可用性、即在夜间或者在多云天气也是可操作的。这种太阳能热电厂的实现生成在日间期间储存太阳能热能并且在夜间或者在多云季节对其利用的要求。对于这种要求，一般使用包括太阳能储存流体、例如熔盐的中央接收器。具有熔盐的中央接收器一般称作熔盐中央接收器(MSCR)。

在典型MSCR系统中，MSCR、热和冷储存槽罐以及熔盐蒸气生成器(MSSG)循环布置成利用太阳能来产生电力。在这种布置中，在MSCR处所加热的熔盐流体在大约565℃的温度下储存在热储存槽罐中，以及在其热能由MSSG循环来利用之后，将它在大约290℃的温度下储存在冷储存槽罐中，从那里将它进一步发送给MSCR以便重新加热。在这种布置中，在白天和晚上，热的熔盐通过MSSG循环来泵送以产生蒸气，蒸气用来产生电力。

在晚上，由MSSG循环使用泵从热储存槽罐对所储存熔盐的这种利用可以是有效的，但是，在日间期间，当MSCR和MSSG均同时工作时，则这类泵增加显著的辅助功率消耗，并且降低发电厂的总效率。可通过从熔盐(其从保持在高处的MSCR流动，具有充分压力以用于生成电力或者驱动辅助设备，并且降低辅助功率消耗)中提取功（work），来改进发电厂的效率。

发明内容

本公开公开一种太阳能热电系统，其将在以下简化的总结中提出，以便提供对预计克服所讨论缺点但是包括其所有优点连同提供一些附加优点的本公开的一个或多个方面的基本理解。本总结不是本公开的广泛概述。预计既不是识别本公开的重要或关键元素也不是描绘本公开的范围。而是，本总结的唯一目的是要以简化形式来提出本公开的一些概念、其方面和优点，作为下文中提出的更详细描述的序言。

本公开的一个目的是要描述一种可以能够利用熔盐的太阳能热电系统，熔盐从保持在高处的MSCR流动，并且具有充分压力以生成电力或者驱动辅助设备，并且降低辅助功率消耗，以用于改进太阳能热电系统的效率。

在本公开的一个方面，描述一种太阳能热电系统，以实现本公开的一个或多个目的。太阳能热电系统包括太阳能接收器、热能储存布置、蒸气生成器布置和旁路线。太阳能接收器配置成加热热能储存流体。热能储存布置包括热和冷储存槽罐。热储存槽罐配置成从太阳能接收器接收和储存热的热能储存流体，以及冷储存槽罐配置成接收冷的热能储存流体并且将其供应给太阳能接收器以便重新加热。此外，蒸气生成器布置至少包括节能器段、蒸发器段、过热器段、重新加热段或者其组合，节能器段、蒸发器段、过热器段、重新加热段或者其组合可传递地配置成利用来自热储存槽罐的热的热能储存流体的热量来生成可变压力蒸气并且将其供应给多级蒸气涡轮机。此外，在日间期间，当太阳能接收器和蒸气生成器布置均处于操作模式时，旁路线配置成使热储存槽罐旁路，并且将热的热能储存流体从太阳能接收器直接供应给蒸气生成器布置，由此回收（recovering）通过下降管从太阳能接收器流动的热的热能储存流体中可用的所储存势能。

按照实施例，旁路线可配置在太阳能接收器与蒸气生成器布置的过热器和重新加热段之间，以便将热的热储存流体部分地供应给两个段。按照实施例，旁路线可配置在太阳能接收器与蒸气生成器布置的重新加热段之间，以便将热的热储存流体供应给重新加热段，并且从那里供应给过热器与蒸发器之间的供应线。

在一个实施例中，太阳能热电系统还可包括阀机构，其配置在旁路线中，以控制流经旁路线的热的热能储存流体的下游压力。

在一个实施例中，太阳能热电系统还可包括泵布置，其配置成将热的热能储存流体从热储存槽罐泵送到蒸气生成器布置。

在本公开的一个方面，提供一种用于操作太阳能热电系统的方法。该方法包括在太阳能接收器中加热热能储存流体。此外，热的热能储存流体适合储存在热能储存布置中。如上所述的热能储存布置包括热和冷储存槽罐，以便分别储存从太阳能接收器所接收的热的热能储存流体以及储存冷的热能储存流体以发送给太阳能接收器。此外，来自热储存槽罐的热的热能储存流体的热量用来生成恒定/可变压力处的蒸气并且将其供应给蒸气涡轮机或者多级蒸气涡轮机。如上所解释，蒸气生成器布置至少包括相互可传递地配置的节能器段、蒸发器段、过热器段和重新加热段或者其组合。而且，在日间期间，当太阳能接收器和蒸气生成器布置均处于操作模式时，热储存槽罐适合经由旁路线从蒸气生成器布置旁路，以便将热的热能储存流体从太阳能接收器直接供应给蒸气生成器布置，由此回收来自太阳能接收器的下降管热的热能储存流体中可用的所储存势能。

在一个实施例中，该方法还包括通过泵布置将热的热能储存流体从热储存槽罐泵送到蒸气生成器布置。此外，该方法包括通过阀机构来控制流经旁路线的热的热能储存流体的下游压力。在太阳能热电系统的部分负载条件下，泵布置适合被接通，并且阀机构配置成补充旁路线中的热的热能储存流体的流量。

按照实施例，在蒸气生成器布置包括重新加热段的情况下，泵布置配置成将热的热能储存流体直接提供给过热器段，而旁路线配置成将热的热能储存流体直接供应给重新加热段，以重新加热蒸气。

在本公开中具体指出本公开的这些和其他方面，连同表征本公开的各种新颖特征。为了更好地理解本公开、其操作优点及其使用，应当参照附图和描述的内容，其中示出本公开的示范实施例。

附图说明

结合附图进行参照以下详细描述和权利要求书，将会更好地理解本公开的优点和特征，附图中，相似元件采用相似符号来识别，并且包括：

图1示出按照本公开的一个示范实施例的太阳能热电系统的全图；

图2A和图2B分别是示出按照本公开的一个示范实施例、当实际产生在日间期间超过热的热能储存流体的实际要求时描绘旁路线的太阳能热电系统一部分的简化线路图和图形表示；

图3是示出按照本公开的另一个示范实施例描绘旁路线的太阳能热电系统一部分的详细线路图；以及

图4A至图4B示出按照本公开的另一个示范实施例、具有蒸气生成器布置及其组件的旁路线配置的各个实施例。

相似参考标号在附图的若干视图的描述中指的是相似部件。

具体实施方式

为了透彻理解本公开，结合上述附图参照包括所附权利要求书的以下详细描述。为了解释的目的，以下描述中阐述许多具体细节，以便透彻地了解本公开。但是，即使没有这些具体细节也能够实施本公开，对于本领域的技术人员将是显而易见的。在其他情况下，结构和装置仅以框图形式示出，以免混淆对本公开的理解。本说明书中提到“一个实施例”、“实施例”、“另一个实施例”、“各个实施例”意味着结合该实施例所述的特定特征、结构或特性包含在本公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在本说明书的各个位置中的出现不一定都指的是相同一个实施例，也不是对其他实施例互斥的独立或备选实施例。而且，描述可由某些实施例而没有由其他实施例来呈现的各种特征。类似地，描述各种要求，其可以是一些实施例的要求，但可以不属于其他实施例的要求。

虽然为了说明的目的，以下详细描述包含许多具体细节，但是本领域的任何技术人员将会理解，对这些细节的许多变化和/或变更处于本公开的范围之内。类似地，虽然本公开的许多特征根据彼此或者相互结合来描述，但是本领域的技术人员将会理解，这些特征的许多能够与其他特征无关地提供。因此，对于本公开在不失一般性并且没有对本公开施加限制的情况下阐述本公开的本描述。此外，本文所使用的相对术语并不是表示任何顺序、高度或重要性，而是用来将一个元件与另一个区分。此外，本文中的术语“一”、“一个”和“多个”并不表示数量的限制，而是表示存在引用项的至少一个。

参照图1，描绘按照本公开的示范实施例的太阳能热电系统100的示例图解示图。太阳能热电系统100(以下称作‘系统100’)包括太阳能接收器110，其可放置在充分高处的塔112上，并且由大定日镜场114包围。太阳能接收器110从定日镜114接收太阳能以便被加热，定日镜114设计成引导来自太阳‘S’的太阳能。系统100还包括热能储存布置120(以下称作“热储存布置120”)(虚线)，热能储存布置120具有循环通过太阳能接收器110的热能储存流体(以下称作‘热储存流体’)，以在其中储存热能。热储存流体一般可以是熔盐、硝酸钠和硝酸钾(NaNO₃和KNO₃)的混合物。但是，没有背离本公开的范围，可使用如被发现适合于所述目的的任何其他热储存流体、例如其他盐或液体金属合成物。热储存布置120可包括热和冷储存槽罐122、124。在日间期间，当太阳能由定日镜114聚焦在太阳能接收器110上时，加热流经其中的热储存流体。来自太阳能接收器110的被加热的热储存流体被供应并且储存在热储存槽罐122中，或者可从其利用。而在晚上，热储存槽罐122中的所储存的被加热的热储存流体用来生成电功率，并且所产生冷的热储存流体可被供应以便被储存在冷储存槽罐124中。又在日间期间，来自冷储存槽罐124的冷的热储存流体被供应给太阳能接收器110以便重新加热。

系统100还包括蒸气涡轮机/多级蒸气涡轮机130和蒸气生成器布置140，以便将热储存布置120的热储存流体的热量用于驱动发电机150，以产生电功率。蒸气涡轮机130可包括高压蒸气涡轮机132、中压涡轮机134和低压涡轮机136，通过利用来自热储存布置120的热储存流体，其可适合在由蒸气生成器布置140所生成的可变压力蒸气上是可操作的。蒸气生成器布置140可从给水供应116接收水，以生成恒定/变化压力蒸气并且将其供应给蒸气涡轮机130。由于系统100的构造和布置中，各种关联元件可以是本领域的技术人员众所周知的，并不认为是为了获得对本公开的理解的目的所需的，本文中引述其全部构造细节和说明。而是认为只指出如下方面是充分的：如图1至图4B所示，在系统100中，仅示出对本公开的各个实施例的描述是相关的那些组件。

参照结合图1所描述的图2A和图2B，分别示出在日间期间实际产生超过热热能储存流体的实际要求时的蒸气生成器布置140的简化线路图示和图形表示。如以上在图1中所述的布置在白天和晚上均是可操作的，其中热储存流体从热储存槽罐122泵送到蒸气生成器布置140，以产生蒸气，其用来旋转蒸气涡轮机130，以产生电力。系统100可包括适当泵布置、例如泵190，其配置成将热的热能储存流体从热储存槽罐122泵送到蒸气生成器布置140。在晚上期间，热的所储存热储存流体从热储存槽罐122的这种泵送可以是有效的，但是在日间期间，当太阳能接收器100和蒸气生成器布置140均同时工作时，则由蒸气生成器布置140经由热储存槽罐122利用热的所储存热储存流体显著增加辅助功率消耗，并且降低发电厂的总效率。

这是因为从太阳能接收器110流动的热的热储存流体保持在高处，并且具有充分压力用来生成电力或者用来驱动辅助设备，并且降低辅助功率消耗。具体来说，来自太阳能接收器110的下降管热的热能储存流体包括所储存势能，其如果被节流并且储存在热槽罐中而不是由系统100直接利用是浪费的。这能够从图2B中认识到，其中在日间期间，实际产生超过系统100中的热的热能储存流体的实际要求。

如图2A所示，为了优化系统100，系统100适合包括旁路线170。在日间期间，当太阳能接收器110和蒸气生成器布置140均处于操作模式时，旁路线170配置成使热储存槽罐122旁路，以便将热的热能储存流体从太阳能接收器110直接供应给蒸气生成器布置140，由此回收来自太阳能接收器110的下降管热的热能储存流体中可用的所储存势能，以便通过蒸气生成器或者其不同段来泵送流体。系统100通常包括线路111，其直接连接太阳能接收器110和热储存槽罐122，并且当旁路线170没有操作或者部分操作时，能够由阀布置111a来调节，以允许来自太阳能接收器110的热的热能储存流体储存在热储存槽罐122中，以便用于蒸气产生。

图3是示出旁路线170的系统100的一部分的详细线路图。来自太阳能接收器110的热的热能储存流体可适合在容器110a中传递，从那里它可传递给所需位置，即，传递给热储存槽罐122以便储存并且在要求时利用，或者直接传递给蒸气生成器布置140以便同时使用。如所示，旁路线170包括阀机构180，其配置在旁路线170中以控制流经旁路线170的热的热能储存流体的下游压力。阀机构180和泵190可根据系统100的负载、即全负载或部分负载有选择性地操作。例如，在系统100的部分负载条件下，泵布置190适合被接通，并且阀机构180配置成控制旁路线170中的热的热能储存流体的流量。又如系统100所要求，泵布置190可适合完全关闭，并且阀机构180是唯一供应源，并且控制旁路线170中的热的热能储存流体的流量。

在本公开的又一个实施例中，旁路线170可配置在各个位置处，以得到最佳可能结果。例如，图4A和图4B示出具有蒸气生成器布置140及其组件的旁路线170配置的各个实施例。

如图4A至图4B所示，蒸气生成器布置140可包括节能器段142、蒸发器段144和过热器段146，节能器段142、蒸发器段144和过热器段146可传递地配置成利用从热储存槽罐122所接收或者经由旁路线170直接来自太阳能接收器110的热的热储存流体的热量，以从自给水供应116所接收的水来生成所述高压蒸气。按照又一个实施例，蒸气生成器布置140还可包括重新加热段160，例如图4A和图4B所示。按照实施例，如图4A所示，旁路线170可配置在太阳能接收器110与蒸气生成器布置140的过热器和重新加热段142、160之间。热的热储存流体可根据工业要求按照预定量，其被分开以部分供应给过热器段142并且部分供应给重新加热段160。按照实施例，如图4B所示，旁路线170可直接配置在太阳能接收器110与重新加热段160之间，以便将热的热储存流体供应给重新加热段160，并且从那里供应给蒸气生成器布置140的过热器146与蒸发器144之间的供应线。

在日间期间，当太阳能接收器110和蒸气生成器布置140均处于操作模式时，图2A、图3、图4A和图4B的旁路线170的这些所述布置允许通过将热的热能储存流体从太阳能接收器110直接供应给蒸气生成器布置140来优化系统100，由此回收来自太阳能接收器110的下降管热的热能储存流体中可用的所储存势能。

本公开还包括用于操作系统100的方法。该方法包括在太阳能接收器110中加热热能储存流体。此外，热的热能储存流体适合储存在热能储存布置120的热储存槽罐122中，如上所述。此外，来自热储存槽罐122的热的热能储存流体的热量用来生成可变压力蒸气并且将其供应给多级蒸气涡轮机130。此外，在日间期间，当太阳能接收器110和蒸气生成器布置140均处于操作模式时，热储存槽罐122适合经由旁路线170从蒸气生成器布置140旁路，以便将热的热能储存流体从太阳能接收器110直接供应给蒸气生成器布置140，由此回收来自太阳能接收器110的下降管热的热能储存流体中可用的所储存势能。以上配置和描述了旁路线170的各种布置，并且为了简洁起见而不包含在本文中。

如以上所解释，在一个实施例中，该方法还包括使用泵布置190将热的热能储存流体从热储存槽罐122泵送到蒸气生成器布置140。此外，该方法包括通过阀机构180来控制流经旁路线170的热的热能储存流体的下游压力。如以上所解释，关闭或接通泵布置190的选择可根据系统100的负载条件、即部分或全负载进行。

本公开的系统100在诸如以上所述的各种范围中是有利的。该系统能够利用熔盐，其从保持在高处的MSCR流动，并且具有充分压力以生成电力或者驱动辅助设备，并且降低辅助功率消耗，以用于增加蒸气生成器布置中的蒸气压力。本发明还能够可适用于蒸气生成器技术和实施例，包括其中节能器、蒸发器和过热器段通过专用组件来分开、串联或并联组装或者全部三个段组合在一个单个组件中。

为了说明和描述的目的，提供了本公开的具体实施例的上面描述。它们不预计是彻底的或者将本公开限制到所公开的准确形式，并且显然，根据上述教导，许多修改和变更是可能的。选择并且描述了实施例，以便最佳地解释本公开的原理及其实际应用，由此使本领域的技术人员能够以如适合所预期的特定使用的各种修改来最佳地利用本公开和各个实施例。要理解，如环境可提示或使得有利的，预期等效方面的各种省略和置换，但是没有背离本公开的权利要求的精神和范围情况下，这不预计涵盖应用或实现。

Claims (8)

1.一种太阳能热电系统，包括：

太阳能接收器，配置成加热热能储存流体；

热能储存布置，包括：

热储存槽罐，配置成从所述太阳能接收器接收和储存热的热能储存流体，以及

冷储存槽罐，配置成接收冷的热能储存流体并且将其供应给所述太阳能接收器以便重新加热；

蒸气生成器布置，至少包括节能器段、蒸发器段、过热器段和重新加热段，节能器段、蒸发器段、过热器段和重新加热段可传递地配置成利用来自所述热储存槽罐的所述热的热能储存流体的热量来生成蒸气并且将其供应给蒸气涡轮机；以及

具有第一端和第二端的旁路线，所述旁路线的第一端连接至所述太阳能接收器的下降管，所述旁路线经过所述重新加热段，所述旁路线的第二端位于所述过热器段和所述蒸发器段之间以在日间期间当所述太阳能接收器和所述蒸气生成器布置均处于操作模式时将所述热的热能储存流体从所述太阳能接收器直接供应给所述蒸气生成器布置，由此回收来自所述太阳能接收器的在所述下降管的热的热能储存流体中可用的所储存势能以在无需泵协助的情况下迫使所述热的热能储存流体通过所述旁路线到达所述蒸气生成器布置。

2.如权利要求1所述的太阳能热电系统，还包括阀机构，其配置在所述旁路线中，以控制流经所述旁路线的所述热的热能储存流体的下游压力。

3.如权利要求1所述的太阳能热电系统，还包括泵布置，其配置成泵送来自所述热储存槽罐的所述热的热能储存流体，以补充蒸气生成器布置要求。

4.一种操作太阳能热电系统的方法，所述方法包括：

在太阳能接收器中加热热能储存流体；

将热的热能储存流体储存在热能储存布置中，所述热能储存布置包括热储存槽罐和冷储存槽罐，以便分别储存从所述太阳能接收器所接收的所述热的热能储存流体以及储存冷的热能储存流体以发送给所述太阳能接收器；

利用来自所述热储存槽罐的所述热的热能储存流体的热量来生成可变压力蒸气并且将其供应给多级蒸气涡轮机，蒸气生成器布置至少包括相互可传递地配置的节能器段、蒸发器段、过热器段和重新加热段；以及

在日间期间，当所述太阳能接收器和所述蒸气生成器布置均处于操作模式时，经由具有第一端和第二端的旁路线使所述热储存槽罐和所述蒸气生成器布置的所述过热器段旁路，所述旁路线的第一端连接至所述太阳能接收器的下降管，所述旁路线经过所述重新加热段，所述旁路线的第二端位于所述过热器段和所述蒸发器段之间以便将所述热的热能储存流体从所述太阳能接收器直接供应给所述蒸气生成器布置，由此回收来自所述太阳能接收器的在下降管的热的热能储存流体中可用的所储存势能以在无需泵协助的情况下迫使所述热的热能储存流体通过所述旁路线到达所述蒸气生成器布置。

5.如权利要求4所述的方法，还包括通过泵布置将所述热的热能储存流体从所述热储存槽罐泵送到所述蒸气生成器布置，以补充要求。

6.如权利要求5所述的方法，还包括通过阀机构来控制流经所述旁路线的所述热的热能储存流体的下游压力。

7.如权利要求6所述的方法，其中，在所述太阳能热电系统的部分负载条件下，所述泵布置适合于被接通，并且所述阀机构配置成控制所述旁路线中的所述热的热能储存流体的流量。

8.如权利要求5所述的方法，其中，所述泵布置配置成将所述热的热能储存流体直接提供给所述过热器段，而所述旁路线配置成将所述热的热能储存流体直接供应给配置到所述蒸气生成器布置的所述重新加热段，以重新加热所述蒸气。

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