CN110637201A - 用于能量生产的太阳能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用太阳能能量生成电力和/或生产清洁燃料或其他化学品，作为天性间歇式太阳能能量的长期、可运输储存手段。提供了一种能量生成系统，包括：太阳能收集装置，其被配置并可操作用于收集和反射集中的阳光辐射；太阳能接收器，其被配置用于接收来自太阳能收集装置的集中的阳光辐射；热能储存单元，其包括被配置并可操作用于储存热能的至少一个热能储存模块；充热管路装置，其连接在太阳能接收器至热能储存单元之间，并且被配置并可操作用于：携带将热量从太阳能接收器转移到至少一个热能储存单元的第一工作流体，从而能够用热能对至少一个热能储存单元充热，以及在第一工作流体离开热能储存单元之后，携带第一工作流体回到太阳能接收器；电力转换单元，其被配置并可操作用于容纳第二工作流体并将由第二工作流体传递的热量转换成电力；以及散热管路装置，其连接在热能存储单元至电力转换单元之间，并且被配置并可操作用于：携带用于将热量从至少一个热能储存模块转移到电力转换单元的第二工作流体，以及在第二工作流体离开电力转换单元之后，携带第二工作流体回到至少一个热能储存模块。

Description

用于能量生产的太阳能系统
技术领域
本发明涉及一种新颖的基于太阳能的系统，用于能量生产。
背景技术
以下列出了被认为作为背景与本公开的主题相关的参考文献：
-美国专利申请号US2016/251767
-美国专利申请号US2016/222948
-美国专利申请号US2014/123646
-美国专利申请号US2011/108435
-美国专利申请号US2012/060418
-美国专利申请号US2013/229018
-PCT申请号WO14064673
-Using concrete and other solid storage media in thermal energystorage(TES)systems，D.Laing,S.Zunft，德国埃斯林根应用科学大学，原德国航空航天中心(DLR)，德国；德国航空航天中心(DLR)，热能储存系统的进展，p65-86
-http://www.wilsonsolarpower.com/
本文中对上面的参考文献的确认不应被推断为意指这些以任何方式与本公开的主题的专利性相关。
背景
太阳能本质上是一种间歇性能源，而从它得到的电力或热量通常必须根据消费者的需求(经常是全天候(7/24，一年365天))供应。为了实现按照需求供应，太阳能设施生产的能量中的一些或全部必须以热量或电力的形式储存起来。现有的太阳能系统中许多都没有配备储存装置。另一些具有针对各种时间段的储存能力，这大大增加了系统生产能量的成本。
储存装置的缺乏和与能量储存相关的高成本都限制了太阳能的利用，并阻止太阳能成为人类文明消耗的主要能源。
概述
本发明涉及利用太阳能能量生成电力和/或生产清洁燃料或其他化学品，作为天性间歇式太阳能能量的长期、可运输储存的手段。
所提出的新颖的基于太阳能的系统被配置用于持续的能量生产，并按照需求提供电力。
这种新颖的系统能够针对从全年7/24按需的基本负荷电力到在电力需求高峰期间一天5-10小时的大范围的电力需求保持相同的系统配置。此外，这种配置可以与附加元件相结合，使其能够用于经由化学反应生产的燃料和其他化学品，或者在燃料生产和电力生成之间交替使用。与其他太阳能系统相比，紧凑的模块化系统配置使得热传输管道的长度显著缩短，因此提高了效率并降低了成本。这种新颖的系统将高效的太阳能能量转换与热能的储存结合起来，而不会增加特定的系统成本(即，$/kWh)。
根据本发明的一个广泛方面，提供了一种能量生成系统，该系统包括：太阳能收集装置，其被配置并可操作用于收集和反射集中的阳光辐射；太阳能接收器，其被配置用于接收来自太阳能收集装置的集中的阳光辐射，并将该集中的阳光辐射转换成第一工作流体中的热能；热能储存单元，其包括被配置并可操作用于储存热能的至少一个热能储存模块；充热管路装置，其连接在太阳能接收器至热能储存单元之间，并且被配置并可操作用于：携带将热量从太阳能接收器转移到至少一个热能储存模块的第一工作流体，从而能够用热能对至少一个热能储存模块充热，以及在第一工作流体离开热能储存单元之后，携带第一工作流体回到太阳能接收器；电力转换单元，其被配置并可操作用于容纳第二工作流体并将由第二工作流体传递的热量转换成电力；以及散热管路装置，其连接在热能储存单元至电力转换单元之间，并且被配置并可操作用于：携带用于将热量从至少一个热能储存模块转移到电力转换单元的第二工作流体，以及在第二工作流体离开电力转换单元之后，携带第二工作流体回到至少一个热能储存模块。
在一些实施例中，热能储存单元包括多个热能储存模块，这些热能储存模块经由容纳第一工作流体和第二工作流体中的至少一种的管道的装置而彼此连接。
在一些实施例中，热能储存模块中的至少一个包含显热材料和相变材料(PCM)，用于增加储存容量。
在一些实施例中，系统包括新颖的热能储存单元，该热能储存单元包括至少一个具有储热材料(例如，填充床)的储存模块，以及充热流体(即，工作流体)通过的第一管道装置，以及散热流体(即，不同的工作流体)通过的第二管道装置，使得同一储存罐包括封闭在同一容积中的充热流体和散热流体。因此，充热流体和散热流体可以同时流动，或者彼此独立地流动，而与另一种流体无关。在这方面，应当注意，充热/散热管道装置可以被实现为容纳在热能储存模块的壳体内的热能储存单元的一部分，或者可以被实现为连接在热能储存单元和太阳能接收器/电力转换单元之间的能量生产系统的一部分。
该新颖的热能储存单元被配置成将由间歇性源提供的热能储存为显热和潜热，同时根据电力转换单元的要求以稳定和受控的速率向电力转换单元供热，而不管能量源的间歇性质如何。
该新颖的热能储存单元可以是用于燃料和/或电力生产的任何能量生产系统的一部分。在这两种情况下，它都可以全天候操作，或者根据消费者的需求操作。
在一些实施例中，热能储存单元直接连接到太阳能接收器，并且位于非常靠近太阳能接收器的位置，例如，接收器安装在热能储存单元上。
在一些实施例中，太阳能接收器包括烟囱，该烟囱被配置用于从太阳能接收器引导通过自然对流热损失生成的热流。
在一些实施例中，太阳能接收器包括至少一个热电阵列，该热电阵列被配置并可操作来吸收热流并使用热流来生产电力。
在一些实施例中，系统还包括冷却模块，该冷却模块被配置用于利用热流来生产冷水。冷水可用于在电力转换单元的第二工作流体被压缩之前对其进行冷却。
在一些实施例中，热能储存模块中的至少一个热能储存模块的管道的装置的至少一部分具有倾斜管道节段和U形中的至少一种，从而减小管路长度。
在一些实施例中，系统还包括一个或更多个热交换器和一个或更多个附加热能储存模块中的至少一个，该一个或更多个热交换器和一个或更多个附加热能储存模块与热能储存单元和电力转换单元流体连通，并且被配置用于从热能储存单元接收热量并向电力转换单元供应热量。将热交换器或附加热能储存单元分成多个单元减少了传热壁(例如，在热交换器内部隔开较热和较冷流体的壁，或者在类似于储存器的容器内的管道壁)上的压力差。这也降低了高温热交换器/热能储存模块配置的成本，并增加了其耐用性和寿命。
在一些实施例中，系统还包括管道的中间装置，其连接在以下部件中的至少两个之间：热能储存单元、一个或更多个热交换器和一个或更多个附加热能储存模块。换句话说，管道的中间装置可以连接在热能储存单元和中间部件之间，以及可以连接在两个热交换器或两个附加热能储存模块之间。管道的中间装置可以被配置用于容纳至少一种中间工作流体，在一些情况下，该中间工作流体处于热能存储单元的压力和PCU的压力之间的中间压力。第三工作流体可用于将热量从至少一个热能储存模块转移到热交换器和附加热能储存单元中的至少一个，和/或从一个热交换器或附加热能模块转移到另一个热交换器或附加热能模块。
在一些实施例中，充热管路装置的至少一部分被配置用于携带第一工作流体回到太阳能接收器。在一些非限制性的情况下，在第一工作流体离开热能储存单元之后，携带该第一工作流体回到接收器的管道中的至少一个位于热能储存模块中的至少一个内部或者位于热能储存单元的绝缘部分内。
在一些实施例中，充热管路装置或散热管路装置的至少一部分容纳在热能储存单元的绝缘部分内。
在一些实施例中，系统还包括位于热能储存单元上游或下游的燃料燃烧器，该燃料燃烧器被配置用于分别加热第一工作流体或第二工作流体。
在一些实施例中，电力转换单元包括多级涡轮机，并且散热管路装置被配置以使得第二工作流体绕过第一涡轮机级并被引入第二涡轮机级。
在一些实施例中，充热管路装置中将热量从太阳能接收器转移至热能储存单元的至少一个管道被放置在充热管路装置的另一管道内部，该另一管道携带第一工作流体从热能储存单元回到太阳能接收器，形成环形配置。
在一些实施例中，系统还包括用于清洁燃料生产的化学反应器。化学反应器可以与电力转换单元电连通和/或与热能储存单元流体连通。化学反应器可以被配置并可操作用于通过化学反应并通过利用来自热能储存单元的热量和由电力转换单元生成的电力中的一种或两种将反应物转化为产物。应当理解，一般来说，在太阳能燃料生产系统中，燃料生产仅在日照时间进行；换句话说，生产燃料是太阳能能量储存的唯一方法。本发明的系统的新颖配置能够全天候提供热能并执行化学转换。根据阳光辐射和用户的需要，本发明还能够生成电力或燃料，或者两者都生成。
在一些实施例中，由电力转换单元生产的电力用于燃料生产。
应当注意，反应物和产物流体储存在室温下。典型的反应物是水和CO2；典型的产物是CO、H2和O2。通常，在此过程中O2与H2、CO分离。CO和H2的混合物称为合成气，通常用于生产其他燃料或有用的化学品，例如甲醇、汽油、柴油、烯烃等。只要需要，反应产物也可以直接用于在燃烧器中燃烧。
在一些实施例中，化学反应器被配置用于使用由电力转换单元生成的电力的至少一部分。
在一些实施例中，系统还包括开关连接，该开关连接被配置用于在电力生产和燃料生产之间进行交替，并用于控制它们各自的量。
附图简述
为了更好地理解本文中所公开的主题并且举例说明如何可以在实践中执行该主题，现在将参考附图仅通过非限制性示例的方式来描述实施例，在附图中：
图1A-1C是用于全天候或按需求生成太阳能电力的可能的系统配置的示例；
图2A-2C是用于全天候或按需求进行太阳能驱动的燃料生产的可能的系统配置的示例；
图3A-3B是根据本发明的一些实施例的本发明的系统的不同的可能配置的局部视图；
图4A示出了根据本发明的一些实施例的热能储存模块的可能配置；
图4B示出了根据本发明的一些实施例的包括烟囱的太阳能接收器的可能配置；
图4C-4D是根据本发明的一些实施例的电力转换单元和热能储存模块的示意性流程图；
图5A示出了根据本发明的一些实施例的热能储存模块的可能配置；
图5B-5C示出了根据本发明的一些实施例的管道装置的一部分的可能配置；
图5D示出了根据本发明的一些实施例的热能储存模块的可能配置；
图5E是根据本发明的一些实施例的本发明的系统的可能配置的局部视图；
图6A-6B示出了根据本发明的一些实施例的系统的可能配置；以及
图7示出了不同的电力生成系统的平准化能量成本(LEC)。
具体实施方式
参考图1A，其表示用于全天候或按需求进行太阳能-电力生成的能量生成系统的新颖配置。系统100包括：太阳能收集装置102，其在图中被示为定位在倾斜地面上的定日镜场，并且被配置并可操作用于收集和反射集中的阳光辐射；太阳能接收器106，其被配置用于接收来自太阳能收集装置102或来自可选的次级反射器104的集中的阳光辐射，次级反射器104用于附加地集中阳光辐射。太阳能接收器106还被配置用于将太阳能辐射转换成工作流体中的热能，工作流体将热能传输到热能储存(TES)单元108。TES单元108包括一个或多个热能储存模块，这些模块经由充热管道装置(即，热充入回路122)连接到太阳能接收器106。TES单元108被配置用于储存热能，并且包括热量储存材料和管道的布置。热充入回路122包括连接在太阳能接收器106至TES单元108之间的管道布置，并且被配置用于容纳由太阳能接收器106加热的第一工作流体，并且用于将热量从太阳能接收器106转移到TES单元108。系统100还包括电力转换单元(PCU)110，PCU 110经由容纳第二工作流体的管道装置(即，热排放回路124)连接到TES单元108。PCU 110被配置并可操作用于接收第二工作流体并将从TES单元108转移到其上的热量转换成电力。热排放回路124包括被配置用于容纳第二工作流体的管道装置，用于将热量从TES单元108转移到PCU 110。第一工作流体和第二工作流体可以是相同的物质(例如，空气)或者是具有不同化学成分(例如，空气和CO2)的物质，并且可以在相同的压力下或在不同的压力下操作。
太阳能收集装置102可以包括用于例如使用太阳跟踪聚光器(例如碟形聚光器或定日镜阵列)来集中太阳能辐射的任何合适的装置。在图1A和图2A所示的示例中，太阳跟踪聚光器是定日镜阵列。然而，本发明不限于任何特定的配置。太阳能收集装置102被配置为在所要求的聚光比(例如，大约1000倍)下实现足够高的光学效率。太阳能收集装置102被配置用于使年度光学效率最大化，即，使一年中到达反射器表面(定日镜)的太阳能辐射中进入接收器106的部分最大化。
太阳能接收器106可以是但不限于转让给本专利申请的受让人的美国专利号US8,960,184中描述的太阳能接收器。太阳能接收器106被配置成使集中的阳光中被热充入回路122(即，热充入工作流体)吸收的辐射能量最大化，并使能量损失最小化。太阳能接收器106可以是被指定用于将热量从集中的太阳能辐射转移到工作流体的任何合适的太阳能接收器。太阳能辐射可以集中在任何合适的太阳能收集装置中。
TES单元108被配置成可在相对高的温度(400℃-1000℃)下操作，并且在较高温度和较低温度之间具有足够的范围(ΔT>300℃)，以达到高的总体系统效率。它可以全天候操作，也可以根据客户的需求操作。
在特定且非限制性的示例中，PCU 110可以包括使用涡轮机、发电机、压缩机、回热器等的超临界CO2(sCO2)涡轮机组发动机。图5C-5D示出了这个特定且非限制性的示例。典型地，诸如空气、蒸汽、CO2或其他气体的工作流体在被供应到涡轮机之前被压缩和加热，工作流体在涡轮机中膨胀，并且热的、压缩的工作流体的能量含量中的一些被转换成机械功，然后通过发电机的使用，该机械功被转换成电力。涡轮机被配置成接收离开热能储存单元的第二工作流体。在特定且非限制性的示例中，加热后的第二工作流体被引入涡轮机，从而经由轴驱动发电机。可以提供至少一个回热器(即，用于回收未使用的热能的热交换器)，用于用流出涡轮机的膨胀工作流体来加热流出压缩机的压缩工作流体。PCU 110被选择为提供高效率(>50％)，并且被配置成在相对高的压力下操作。超临界CO2(sCO2)涡轮机组的典型的较高上限压力和较低上限压力分别是250巴和80巴(即3.125的压力比)。通常，增加压力比和/或上限温度会提高PCU效率。这些部件被设计为使总体系统效率最大化，并且使整个系统的平准化能量成本(LEC)最小化。
在一些实施例中，系统100可以包括可选的光学部件104，用于附加地集中阳光辐射。次级光学部件104可以是次级反射器，如果系统分析表明该次级反射器将降低系统的平准化能量成本(LEC)，则使用该次级反射器。次级反射器104被配置成在集中的太阳能辐射进入太阳能接收器106之前增加太阳能辐射的集中。
应当理解，本发明的系统100被配置成在工作流体的传输期间使工作流体的热损失和压力损失最小化。为此，系统100包括用于将热量从太阳能接收器106转移到TES单元108的热充入回路122和用于将热量从TES单元108转移到PCU 110的热排放回路124。工作流体在高温高压下流动。
下表1分别列出了如图1A所示的热充入回路122和热排放回路124的典型操作温度和压力：
表1.系统操作条件范围
图1B示出了图1A的系统配置的放大的局部视图，其中热能储存单元108被划分成多个互连的热能储存模块108A。这种配置使储存和整体系统操作具有灵活性。每个热能储存模块可以包括显热储存材料(例如熔盐、有机热转移流体、蒸汽、填充床(即，高热容量固体材料))或相变材料。单个储存模块可以具有这些材料的组合。例如，储存显热的填充床材料可以与储存潜热的相变材料结合使用。注意，热能储存模块可以包括用于提供热能储存的任何合适的装置。
参考图1C，其示意性地示出了本发明的实施例，其中热能储存单元108直接连接到太阳能接收器106，并且位于非常靠近太阳能接收器106的位置，例如，接收器安装在热能储存模块上。在该特定且非限制性的示例中，热能储存单元108包括被配置为竖直管的多个储存模块108A，该竖直管的典型的纵横比(即，管的长度和其直径之间的比率)大于10且小于30。太阳能接收器106被放置在管状储存模块108A的顶部上。这种配置有几个优点：(i)TES单元108的管状储存模块108A有效地消除了对塔结构的需要，以其他方式则需要塔结构来架高接收器；(ii)将热的工作流体从接收器106转移到TES的模块108的热充入管道的长度被最小化；(iii)电力转换单元(PCU)110和可选地邻接的热交换器也可以放置在TES的模块108A的顶部上，使得从TES的模块108A向PCU 110上游的热交换器排放热量的管道的长度被最小化。该图示意性地示出了如何可以将储存器充热/散热管路装置、接收器和其他系统元件集成在一起，从而不需要专门设计的塔。这些元件可以集成在一起来形成生产热量或电力的系统。
在这方面，应当注意，在现有的太阳能中央接收器(SCR)系统中，接收器通常安装在钢或混凝土塔上，而储存罐(如果有的话)放置在塔基附近的地面上，使得它们的垂直尺寸比直到塔顶部附近的接收器位置的塔的高度短得多。通常，SCR系统具有将阳光聚焦到位于塔顶附近的接收器的孔径上的定日镜场。接收器通常将辐射能量转换成工作流体中的热能。有必要将接收器架高到高于地面水平，以减少相邻定日镜对来自给定定日镜的反射光的遮挡。根据系统的大小和设计，塔的高度可以在30到200m之间，这通常是一个很大的成本项目。
参考图2A，其表示用于全天候或按需求进行太阳能驱动的燃料生产的系统的另一可能的配置。系统200包括太阳能收集装置102、太阳能接收器106、TES单元108、热充入回路122、PCU 110、热排放回路124、可选的次级光学部件104和化学反应器112，化学反应器112可以由与TES单元108流体连通的电力转换单元110激励。化学反应器112被配置并可操作用于通过利用来自TES单元108的热量和由PCU 110生成的电力中的一种或两种来生产合成气体或其他燃料或化学品。因此，在特定且非限制性的示例中，可以通过添加化学反应器112来修改图1的系统，用于从CO2和水生产合成气。在这方面，应当注意，下面示出的所有示例都可以在具有或不具有化学反应器的情况下被实施用于燃料或电力生产。系统100可用于全天候或按需求生成电力。通过添加化学反应器112，系统100被转换成系统200，系统200可以全天候用于太阳能驱动的燃料生产或电力生成。化学反应器112可以将CO2和H2O分解成CO、H2和O2，化学反应器112被配置并且可操作以经由热排放回路124从TES单元108接收热量。化学反应器112可以是但不限于转让给本专利申请的受让人的美国专利号US 8,268,138中描述的化学反应器。
图2B示出了图2A的系统配置的放大的局部视图，其中热能储存单元108被划分成多个互连的热能储存模块108A。这种配置使储存和整体系统操作具有灵活性。
参考图2C，其示出了本发明的实施例，其中热能储存单元108直接连接到太阳能接收器106，并且位于非常靠近太阳能接收器106的位置，例如，接收器安装在热能储存单元上。图2B示意性地示出了系统的不同元件如何可以与反应器112一起配置以产生化学反应。除了结合图1B所讨论的优点，图2B所示的配置还能够使利用回路124中的工作流体向反应器112提供热量的管道的长度最小化。
图3A示出了本发明的系统300的一种可能配置的局部放大视图，其中从TES单元108返回到接收器106的热充入回路122的至少一部分被插入TES单元108的绝缘体中。这种配置能够减少热损失并提高系统的效率。注意，每个热能储存模块可以包括外壳、热绝缘体以及热储存材料和管道的布置。因此，热充入回路122的一段可以插入热能储存单元的绝缘体部分(即，热能储存模块的(例如，在模块的外壳内部的)绝缘体)内，或者插入模块之间的绝缘体中。
图3B示出了根据本发明的一个实施例的系统310的示意性说明，其中回路124中的第二工作流体流过反应器112或围绕反应器112流动。如图3B示意性示出的，这种系统配置能够交替使用于燃料或电力生产。应当注意，在任何给定时间，由电力转换单元110生成的电力中的全部或部分用在化学反应器112中，和/或电力中的全部或部分被分配给一个或多个电力消费者。为此，系统310包括开关连接114(例如，阀装置)，开关连接114被配置为在电力生产和燃料生产之间交替。这种配置既能生产电力又能生产燃料。例如，当电力需求低于系统能够生产的电力时(例如，在漫长的夏季白天期间)，这可能是有用的。
参考图4A，其表示本发明的热能储存模块408的示意图，其中充热和散热是独立的。在该特定且非限制性的示例中，充热流体在填充床中流动，即，流体与构成填充床的元件(例如，卵石)直接接触。散热流体在被安装在同一填充床中的管道内流动。充热流体和散热流体可以同时流动，或者彼此独立地流动，而与另一种流体无关。热能储存模块408的这种新颖配置使得能够在一个封闭容积中使用不同的流体，这些流体针对充热和散热分别具有相同或不同的压力。热能储存模块408可以包括两个入口管道I1和I2，它们被放置在储存模块的相对侧用于引入充热和散热流体，以及两个出口管道O1和O2，它们也被放置在热能储存模块的相对侧，用于移除充热和散热流体。应当注意，每个热能储存单元可以包括根据模块408配置的至少一个热能储存模块。如本文所述或如本领域已知的，热能储存模块的这种配置可以在具有或不具有化学反应器的任何能量生产系统中实现。
还应当注意，热能储存模块108A和408通常被配置为热交换器。
参考图4B，其表示根据本发明的一些实施例的太阳能接收器106的部分示意图，太阳能接收器106尤其包括烟囱502，烟囱502使得流体能够在接收器的腔504和外部环境空气之间流动。烟囱502被配置用于将由自然对流热损失生成的热流从接收器的腔504引导至周围空气。烟囱壁或插入烟囱的管吸收的热量可以被利用并用于各种应用。可选地，至少一个热电阵列506可以安装在烟囱502的壁上，从烟囱中的流中吸收热量，并将其用于生产电力。另一种选择是经由热交换器将热量从烟囱流转移至另一种工作流体，并将该热量用于系统中的另一种功能，例如，在热驱动的冷却方法中生产(约10-15℃)冷水。冷水可用于冷却在冷却模块(例如，图4C所示的水冷却器518)中的低压超临界CO2流，而不是使用通过环境空气进行冷却的水冷却器。这种配置降低了压缩所需的电力，并提高了PCU效率。来自烟囱的热量可以同时用于多于一种的选择。如本文所述或如本领域已知的，太阳能接收器的这种配置可以在具有或不具有化学反应器的任何能量生产系统中实现。
参考图4C，其表示根据本发明的一些实施例的子系统510的示意图，该子系统包括超临界CO2(sCO2)PCU 110A和热能储存单元108。在该特定且非限制性的配置中，热量由热能储存单元108提供。PCU 110A尤其包括涡轮机511和发电机513，并且被配置且可操作用于接收第二工作流体并将从热能储存单元108转移到其上的热量转换成电力。子系统510还包括回热器512，在流出涡轮机的耗尽的膨胀工作流体进入热交换器516之前，回热器512用该工作流体的热量来加热离开压缩机514的工作流体。在到达压缩机514之前，被烟囱流加热的工作流体可以用在热驱动的冷却方法中，以在水冷却器518中产生(约10-15℃)冷水。冷水可用于冷却回热器512下游的低压sCO2流，而不是使用通过环境空气进行冷却的水冷却器。这种配置降低了压缩所需的电力，并提高了PCU效率。如本文所述或如本领域已知的，超临界CO2(sCO2)PCU和热能储存单元的这种配置可以在具有或不具有化学反应器的任何能量生产系统中实现。
在一些实施例中，当(由于流控制要求)回路124的管道中没有流并且填充床的很大部分的上方储存温度相对高时，输送热能储存单元108中的第二工作流体的回路124的管道装置中的压力可以被降低。这可以与上面讨论的热能储存模块中的温度升高协调完成。在这一点上，应该理解，当管道内部流动很少或没有流动时，将输送高压第二工作流体的管道暴露在高温下，会导致管道壁的温度升高超过管道材料在其内部流体的给定压力下的允许操作温度。压力降低能够维持管道装置中的较高温度。当使用两级涡轮机时，这尤其有效，因为在这种情况下，被转向的气体可以被引导至温度和压力低于第一级的第二涡轮机级。在这方面，参考图4D，其表示根据本发明的一些实施例的子系统520的示意图。子系统520与图4C的子系统510的不同之处在于，在该配置中，使用了两级涡轮机522(级1)和524(级2)。阀526和附加管道使得流在离开热能储存单元108时能够选择绕开选定的管，从而使得流绕过高压涡轮机级524并直接流入低压涡轮机522。由于当使用该选择时，热能储存单元上游的阀528部分或完全关闭，所以在低压涡轮机522上游，在放置在热能储存(TES)单元108内的一些或所有管中，选定管中的压力降低，直到阀528打开且阀526被调节以使经过热能储存模块中的选定管的流流向高压涡轮机级524。如本文所述或如本领域已知的，具有两级涡轮机的超临界CO2(sCO2)PCU的这种配置和热能储存单元的这种配置可以在具有或不具有化学反应器的任何能量生产系统中实施。
在一些实施例中，TES单元的模块508A装置的至少一部分具有如图5A所示的倾斜管道节段，或者是U形。与如果TES模块具有直的圆柱形形状所要求的管路相比，这些热能储存模块形状被配置成减少输送各种工作流体进出它们的管路的长度。如本文所述或如本领域已知的，热能存储模块的这种配置可以在具有或不具有化学反应器的任何能量生产系统中实现。
在一些实施例中，热充入回路122和/或热排放回路124的管道装置可以包括形成有热绝缘体的管(duct)和/或导管(conduit)，以防止工作流体在其流动期间损失热量。这种管道可以布置在现有技术中已知的管中管(pipe-in-pipe)管线配置中。作为示例，在一些实施例中，如图5B所示，热充入回路122的管道装置中连接在太阳能接收器106和TES单元108之间的相对热的管道节段可以放置在热充入回路122的管道装置中的另一相对冷的管道内部，该相对冷的管道往回连接在TES单元108和太阳能接收器106之间，从而形成环形配置600。这种配置能够减少从接收器106到热能储存单元108的管道节段中热流的热损失。如本文所述或如本领域已知的，这种环形配置可以在具有或不具有化学反应器的任何能量生产系统中实施。
作为示例，图5C示出了图5B的环形配置的可能的横截面，该环形配置被配置用于减少热管道流的热量损失。Rii、Rio等术语表示各种环形管道各自的内半径和外半径。
在一些实施例中，热能储存模块包括含有相变材料(PCM)的胶囊，用于储存潜热并增加储存容量。图5D表示热能储存模块508B中的一个，其包含用于储存潜热的相变材料(PCM)的胶囊610，以及用于储存显热的填充床620。
在一些实施例中，系统包括热能储存单元(TES)108上游的外部燃料燃烧器，用于加热工作流体122，以确保在具有很少的太阳能输入或没有太阳能输入的情况下，长时间段(例如，连续几天)内不间断地供电。这种燃烧方法不同于与太阳能驱动的PCU一起使用的普通混合设计，后者的燃烧器是PCU的一部分。在这方面，参考图5E，其表示根据本发明的一些实施例的系统620的示意性说明。系统620与图1A的系统100的不同之处在于，它包括燃烧器622，燃烧器622在热能储存单元108的上游位于将热充入回路122的工作流体从接收器106输送到热能储存单元108的管道装置上，并且被配置用于当太阳能辐射不足以提供所要求的热量并确保不间断的电力供应时加热热充入回路122的工作流体。替代地，类似的燃烧器也可以放置在储存单元108下游和PCU 110上游的散热回路124(工作气体2)上。
参考图6A，其示意性地示出了本发明的系统700A的可能配置的局部视图。系统700A被配置用于确保高压PCU工作流体基本上总是被加热到PCU要求的特定上限温度(例如800℃)，而不管太阳能能量的间歇输入和储存器的充热水平。系统700A还被设计用于使携带PCU工作流体的(昂贵的)高压/高温管路的数量和长度最小化，并且用于使得热储存器两端的温差(相差100-200℃)显著大于涡轮机入口温度和涡轮机出口温度之间的温差。热能储存器温度范围的这种增加使得储存器尺寸减小，从而也降低了成本。
系统700A尤其包括多个(例如，4至24个)热能储存模块708，这些模块被配置用于储存由充热回路702、中间回路704和散热回路706传递的大部分热能。充热回路702包括第一工作流体(例如，空气)，并且被配置用于利用来自太阳能接收器106的热量对热能储存模块708充热。它在相对低的压力(例如，1-10巴)下操作。中间回路704包括另一工作流体(例如，空气)，并且被配置用于将热量从热能储存模块708转移到热交换器或热储存单元710A，热交换器或热储存单元710A使用回路706中的工作流体向PCU 110供热。如本领域已知的，热交换器可以被配置成包括两个隔室，用于携带由传热壁隔开的工作流体。中间回路704可以使用与充热回路702中的第一工作流体相同类型的流体(例如，空气)，并且在相同或相似的压力下操作。
在一些实施例中，充热回路702和/或中间回路704的管道中的至少一些管道延伸进入热能储存模块708中的至少一些热能储存模块并容纳在其中。这使得能够同时充热/散热。替代地，工作流体直接在储存材料(例如，填充床)内流动。在这种情况下，提供交替的充热和散热模式。
参考图6B，其示意性地示出了本发明的系统700B的可能配置的局部视图。在一些实施例中，散热回路706中的第二工作流体包括相对高压(例如，100-300巴)的CO2。图6B所示的配置提供了对加热PCU的工作流体的控制，即使在(例如，来自太阳能接收器的)热能的不规则、间歇供应和热能储存的不同充热水平下也是如此。这种配置还能够将相对昂贵的管路使用限制为仅在PCU中使用。在这方面，应当理解，高温热交换器(T<600℃)配置中的最大挑战之一是由交换热量(“较热”的流体通过热交换壁将热量转移至“较冷”的流体)的两种流体之间的压力差造成的。如果(i)温度升高；(ii)两种流体的压力之间的差增加；(iii)这两种流体是不同类型的(例如，空气与蒸汽、空气与CO2等)，则挑战增加。在一些实施例中，中央储存器710B(即，附加的热能储存单元或热交换器)包括多个热交换器单元，这些热交换器单元被配置用于向PCU流体供热。将一个模块分成两个或更多个单元能够减小传热壁上的压力差，传热壁例如是在热交换器内隔开较热和较冷流体的壁，或者是在类似于储存器的容器内的管道壁；这降低了高温热交换器配置的成本，并增加了它们的耐用性和寿命。
如图6B所示，可以使用多于一个的热交换器710B。在图6B所示的非限制性配置中，回路704中的第一中间工作流体在热储存模块708和710B的第一热交换器之间流体连通；第二中间工作流体在710B的第一热交换器和第二热交换器之间流体连通，并且散热回路706在710B的第二热交换器和PCU 110之间流体连通。这种配置减轻了在高温下从回路704中相对低压的流体向PCU中相对高压的工作流体转移热量的问题，因此在回路706中也是如此。在一个可能但非限制性的示例中，回路704中的压力可以是5巴，而PCU工作流体在热交换点处的压力可以是250巴。这意味着如果只使用一个热交换器，传热壁上的压力差约为245巴。正如本发明的应用中所预期的那样，特别是当操作温度高于600℃时，这种大的压力差造成了非常具有挑战性的材料和机械设计问题。例如，使用串联的两个热交换器能够使传热壁上的压力差减半。在第一(上游)热交换器中，回路704中5巴的流体将加热大约130巴的另一(中间)流体，因此传热壁上的压力差为125巴。在第二(下游)热交换器中，130巴的流体将加热250巴的PCU工作流体，因此传热壁上的压力差为120巴。因此，这种配置能够显著减小热交换器中的压力差，增加它们的耐用性和寿命，并降低它们的成本，因为构造材料可能便宜得多。
应当理解，图6A-6B所示的配置700A-700B能够实现以下功能：增加热能储存器温度范围(热能储存器的热能储存温度范围越大，储存设施越小越便宜)；无论热能储存器的充热水平如何，始终将在加热管中流动的加压CO2加热到所要求的PCU上限操作温度；使携带高压CO2的相对昂贵的管道的长度和数量最小化，并使热能储存器中的热损失最小化。
系统700B可以可选地包括上面参考图5E描述的燃烧器622。系统700B还可以如图2A-2C所示包括化学反应器712，化学反应器712连接在热能储存模块708和热交换器710B之间，或者连接在热交换器710B和PCU 110之间。注意，鼓风机(或泵)714A和714B可以被提供来循环充热回路702中的流和中间回路704中的流，而散热回路706中的流由PCU压缩机循环。
发电系统的平准化能量成本(LEC)是给定系统的发电成本。通常使用等式1来计算。
其中：
是构造和安装中投入的总资金
是年度操作和维护
是年度燃料成本
Eelec,yr是净年度电力产量
fcr是年化固定费率(或年金系数)，定义为：
其中，kd是实际债务利率；N是按年折旧期(即系统设计寿命)；kinsurance是年度保险费用率。
图7示出了选定的现有发电系统和本发明的系统之间的比较。在这个特定且非限制性的示例中，假设年直接太阳能辐射能量为大约2000kWh/m2/年(5.5kWh/m2/天)。组合循环(CC)的LEC不依赖于太阳能辐射。这在很大程度上取决于天然气的成本，当天然气的成本从$2.5/MMBtu(曲线D)增加到$7.0/MMBtu(曲线E)时，这一数字大约翻了一番。应该注意的是，液化天然气(LNG)的成本通常大于$10/MMBtu。在这个示例中，当增加电池储存器时，没有储存器装置的光伏(PV)系统的LEC(曲线B)增加了大约65％(曲线C)。应该注意的是，电池储存器的成本假定为$100/kWh，电池寿命等于系统寿命(30年，或～10,000次循环)，而如果电池24小时不充电，则允许放电90％。目前的电池成本为$200/kWh-$400/kWh，因此随着电池的增加，实际成本的增加可能要比图7所示的高得多。此外，在PV电站中，在具有很少的太阳能输入或者没有太阳能输入的情况下，没有低成本、简单的方法来保证连续几天不间断供电。因为太阳能热系统(槽式、SCR和碟形)的LEC大于$100/MWh，所以未在图7中示出它们。如曲线A所表示的，本发明的系统的LEC不受燃料成本或储存器增加的影响。它明显低于以曲线C表示的具有储存器的PV系统的LEC，并且如果fcr很低且天然气成本高于大约$8.0/MMBtu，则它与组合循环相比具有竞争力(例如，当使用LNG时，非常具有竞争力)。现代燃煤电厂(其必须包括硫洗涤器和除灰设施)的LEC类似于本发明的系统的LEC。考虑到消除碳排放的成本效益，进一步提高了本发明的系统的吸引力。

Claims (20)

1.一种能量生成系统，包括：
太阳能收集装置，其被配置并可操作用于收集和反射集中的阳光辐射；
太阳能接收器，其被配置用于接收来自所述太阳能收集装置的所述集中的阳光辐射，并将所述集中的阳光辐射转换成第一工作流体中的热能；
热能储存单元，其包括被配置并可操作用于储存热能的至少一个热能储存模块；
充热管路装置，其连接在所述太阳能接收器至所述热能储存单元之间，并且被配置并可操作用于：携带将热量从所述太阳能接收器转移到所述至少一个热能储存模块的第一工作流体，从而能够用热能对所述至少一个热能储存模块充热，以及在所述第一工作流体离开所述热能储存单元之后，携带所述第一工作流体回到所述太阳能接收器；
电力转换单元，其被配置并可操作用于容纳第二工作流体并将由所述第二工作流体传递的热量转换成电力；以及
散热管路装置，其连接在所述热能储存单元至所述电力转换单元之间，并且被配置并可操作用于：携带用于将热量从所述至少一个热能储存模块转移到所述电力转换单元的所述第二工作流体，以及在所述第二工作流体离开所述电力转换单元之后，携带所述第二工作流体回到所述至少一个热能储存模块。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述热能储存单元包括多个热能储存模块，所述多个热能储存模块经由容纳所述第一工作流体和所述第二工作流体中的至少一种的管道装置而彼此连接。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述热能储存模块中的至少一个包含显热材料和相变材料(PCM)，用于增加储存容量。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述太阳能接收器安装在所述热能储存单元上。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述太阳能接收器包括烟囱，所述烟囱被配置用于从所述太阳能接收器引导通过自然对流热损失生成的热流。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述太阳能接收器包括至少一个热电阵列，所述至少一个热电阵列被配置并可操作来吸收所述热流并使用所述热流来生产电力。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的系统，还包括冷却模块，所述冷却模块被配置用于利用所述热流来生产冷水。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述冷水用于在所述电力转换单元的所述第二工作流体被压缩之前对其进行冷却。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述热能储存模块中的所述至少一个热能储存模块的所述管道装置的至少一部分具有倾斜管道节段和U形中的至少一种，从而减小管路长度。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，所述系统还包括一个或更多个热交换器和一个或更多个附加热能储存模块中的至少一个，所述一个或更多个热交换器和所述一个或更多个附加热能储存模块与所述热能储存单元和所述电力转换单元流体连通，并且被配置用于从所述热能储存单元接收热量并向所述电力转换单元供应热量。
11.根据权利要求10所述的系统，还包括管道的中间装置，其连接在以下部件中的至少两个之间：所述热能储存单元、所述一个或更多个热交换器和所述附加热能储存模块。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述管道的中间装置被配置用于容纳至少一种中间工作流体，所述中间工作流体处于所述热能存储单元的压力和所述电力转换单元的压力之间的中间压力。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，被配置用于在所述第一工作流体离开所述热能储存单元之后，携带所述第一工作流体回到所述太阳能接收器的所述充热管路装置的至少一部分位于所述热能储存模块中的至少一个的内部。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述热能储存单元包括至少一个热绝缘部分；所述充热管路装置的至少一部分或所述散热管路装置的至少一部分容纳在所述热绝缘部分内。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括位于所述热能储存单元上游或下游的燃料燃烧器，所述燃料燃烧器被配置用于分别加热所述第一工作流体或所述第二工作流体。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述电力转换单元包括多级涡轮机，并且所述散热管路装置被配置以使得所述第二工作流体绕过第一涡轮机级并被引入第二涡轮机级。
17.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述充热管路装置中将热量从所述太阳能接收器转移至所述热能储存模块的至少一个管道被放置在所述充热管路装置的另一管道内部，所述另一管道携带所述第一工作流体从所述热能储存单元回到所述太阳能接收器，形成环形配置。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，还包括与所述电力转换单元电连通和/或与所述热能储存单元流体连通的化学反应器；所述化学反应器被配置并可操作用于通过化学反应并通过利用来自所述热能储存单元的热量和由所述电力转换单元生成的所述电力中的一种或两种来将反应物转换成产物。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述化学反应器被配置用于使用由所述电力转换单元生成的所述电力中的至少一些。
20.根据权利要求19所述的系统，还包括开关连接，所述开关连接被配置用于在电力生产和燃料生产之间进行交替，并用于控制它们各自的量。
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