JP2015502479A - ハイブリッド化石燃料および太陽熱超臨界二酸化炭素発電システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明の開示は、燃焼発電と太陽熱とを組み合わせる統合型発電システムならびに方法を提供する。具体的には、二酸化炭素作動流体を利用する閉環的燃焼系は、燃焼室に通す前に、二酸化炭素作動流体の少なくとも一部分をソーラーヒーターに通すことにより、効率において増大され得る。【選択図】図８

Description

本発明の開示は、太陽熱システムおよび方法と、石炭燃料燃焼発電システムおよび方法との統合に関する。さらに特定的には、統合システムは、燃焼発電システムおよび方法における再循環ＣＯ_２流の燃焼発熱を補足し、したがって効率増大を達成するために太陽熱を利用する。

集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）システムは、典型的には、集光が高熱に変換される相対的に小型の受容器における広域の日光から（例えば、ヘリオスタットの領域から）の太陽エネルギーを集めるよう設計される。次に熱は、電気を生成する慣用的手段、例えば発電機に接続されたタービンのために蒸気を発生させるよう水を加熱することに利用され得る。このような既知のＣＳＰシステムは、種々の欠陥を蒙り得る。例えば、多数の既存のＣＳＰシステムは、最も好ましい日光条件下でほぼ最大の電力を生じ得るだけであり、これは、日照時間数および局地的気象条件により制限される。このようなものとして、既存のＣＳＰシステムは電力が必要とされる時間の一部分だけ電力を生じる。さらに、ＣＳＰシステムは、典型的には、統合型熱力学的発電サイクル（例えば、水蒸気サイクル）のための熱源としての実機能するため、ＣＳＰシステムの効率は、用いられる熱力学的サイクルにより有意に限定され得る。これらの制限の最終結果は、既知のＣＳＰシステムによるソーラー発電は、熱源として化石燃料を燃焼する慣用的システムにより発電される電気に比して、費用は増大し、電力系統への発電量は限定される。

ＣＳＰシステムの効率は、典型的には、温度依存性である。集光太陽光に起因する温度が上昇すると、異なる型の変換が利用されてきた。例えば、約６００℃までの温度では、標準技法、例えば蒸気タービンが用いられ、効率は約４０％の範囲であった。６００℃を上回る温度では、ガスタービンが用いられ、効率は数ポイント（％）増大し得る。高温は、異なる材料および技法が必要とされるため、問題が多いことが示されている。極高温に関する一提案は、多段階タービン系と組合せて、約７００℃〜８００℃の温度で操作する液体フッ化物塩を用いることであり、これは、５０％範囲で熱効率を達成するよう意図されていた。より高い操作温度は、排熱のためにより高温の乾式熱交換器をプラントが使用できるため、有益であると考えられてきたが、これは、大型ソーラープラントが実用的であり得る領域（例えば砂漠環境）において重要であり得る。

高温システムの有望性にもかかわらず、ＣＳＰシステムを実行するための従来の試みは、限定的に成功しただけで、ＣＳＰ発電を主流に統合するための経済的長期手段を達成していない。ＣＳＰ技術における基本的不備を克服するための試み（ソーラー出力が低いかまたは全くない時間中の発電）でさえ、当該技術を商業的に実行可能にしていない。例えば、エネルギー蓄積技術は、発電を拡大し得るが、しかしこれらの方法は、限定出力（例えば、蒸気蓄圧器）を立証しており、費用的および／または技術的に力が試されるものである（例えば、溶融塩タンク）。ソーラーヒーターに利用される作動流体に補足的加熱を提供するために天然ガスを用いる試みもなされてきた（例えば米国特許第６，７３９，１３６号参照）。しかしながら、これまでのこのような既知の補足的発熱システムは、上記の基本的太陽熱変換法の限定された効率を克服することはできなかった。したがって、発電における効率的費用効果システムならびに太陽熱を利用するための方法が、当該技術分野においては依然として必要とされている。さらに具体的には、電力系統への持続導入に適した電力を提供するこのようなシステムおよび方法が依然として必要とされている。

本発明の開示は、両システムに関して、効率を改良し、経費を低減し得るようなやり方でのシステムの統合を提供する。さらに特定的には、当該開示は、発電システムおよび方法と、太陽熱システムおよび方法との統合を提供する。具体的には、統合システムおよび方法は、太陽熱システムおよび出力サイクルのための補足的または代替的熱源を利用することにより、発電システムおよび方法における燃焼サイクルの効率を増大し得る。同様に、統合システムおよび方法は、統合太陽熱を用いない同一発電サイクルの効率に比して、増大される効率を示し得る。このようなものとして、統合システムおよび方法は、互いに独立して操作し得る、交互的に（例えば周期的に）操作され得る、あるいはそれが加熱され、発電のために膨張され、冷却され、任意に精製され、圧縮され、再加熱されるシステムを通して再循環され得る作動流体を加熱するのと同時に操作され得る複数の発熱器を包含し得る。

本発明の開示の統合システムおよび方法は、再循環作動流体を包含し、発電システムに用いられる発熱の少なくとも一部分を提供するための太陽熱との統合が容易である任意の適切な発電システムおよび方法を利用し得る。密閉型燃焼において主にＣＯ_２を用いる発電のためのシステムおよび方法は、米国特許公開番号２０１１／０１７９７９９（この記載内容は参照により本明細書中で援用される）に記載されており、種々の実施形態では、そこに開示された発電システムおよび方法の１つ以上の構成成分または条件は、本発明の開示の発電システムおよび方法に組み入れられ得る。燃焼サイクルは、ＣＯ_２作動流体流（これは典型的には、密閉型システムを通して、少なくとも一部、再循環される）の存在下で酸素中での燃料の燃焼において生成される燃焼生成物の混合物を膨張させる低圧比タービンを用い得る。種々の実施形態において、上記のようなＣＯ_２サイクルは、天然ガス、石炭またはその他の炭素質材料を燃料源として用いる発電に用いられ得る。熱排気タービンは、少なくとも一部は、節約装置熱交換器において再循環ＣＯ_２作動流体流を予熱するために用いられ得る。再循環ＣＯ_２作動流体流は、第二熱源、例えば、燃焼のために酸素を提供するために用いられるＯ_２産生植物からの燃焼エネルギーに由来する熱を用いても加熱され得る。燃料および燃焼由来不純物（例えば硫黄化合物、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、灰、Ｈｇ等）は、大気放出物質を伴わずに処分のために分離され得る。当該システムは、高圧ＣＯ_２再循環流（すなわち、作動流体として再循環される）および高圧ＣＯ_２生成物流（すなわち、燃焼サイクルに再循環されず、使用（例えば石油増進回収設備）のために、または隔離のために捕捉され得る過剰ＣＯ_２）を生成し得る。これは、多段階圧縮システムであり得る圧縮システムにおける節約装置熱交換器からの冷却タービン排気流を圧縮することにより達成され得る。

本発明の開示は、密閉型サイクル発電システムおよび方法と、ＣＳＰ（または他の太陽熱）システムおよび方法を統合して、燃焼器またはソーラー集光器間の作動流体発熱を回転し得るか、または燃焼の熱および太陽熱をともに同時に利用して、再循環作動流体を加熱し得る高効率発電システムを達成する能力を提供する。このような統合は、例えば、完全炭素捕捉を伴う密閉型ＣＯ_２サイクル発電工程の効率を、５０％より多く、５５％より多く、６０％より多く、６５％より多く、または７０％より多くに増大し得る。

ある実施形態では、本発明の開示は、発電方法を提供し得る例えば、発電方法は、酸素およびＣＯ_２の存在下で一次燃焼室中で炭素質燃料を燃焼して、ＣＯ再循環流を精製し、そして併合燃焼生成物流を生成することを包含し得る。当該方法は、さらに、併合燃焼生成物流をタービンに通して、電力を発電し、超臨界ＣＯ_２を含むタービン排気流を生成し、超臨界ＣＯ_２を含むタービン排気流を燃焼生成物熱交換器に通して、超臨界ＣＯ_２を気体ＣＯ_２を含む流れに転換し、任意に気体ＣＯ_２流を精製し、ＣＯ_２流を加圧して再循環ＣＯ_２流を生成し、再循環ＣＯ_２流を燃焼生成物熱交換器に通し戻して、再加熱再循環ＣＯ_２流を生成し、再加熱再循環ＣＯ_２流をソーラーヒーターに通して、再循環ＣＯ_２流を燃焼室に進めることを包含し得る。当該方法は、再加熱再循環ＣＯ_２流をフローバルブに通し、それにより再加熱再循環ＣＯ_２流を分割して、燃焼室に進む第一部分およびソーラーヒーターを通過する第二部分とするか、あるいはそれにより、再加熱再循環ＣＯ_２流は、燃焼室に進むかまたはソーラーヒーターに進むことを交互に行う。さらに、いくつかの実施形態では、当該方法は、ソーラーヒーターからの流れを補足燃焼発熱器に通したのち、再加熱再循環ＣＯ_２流を一次燃焼室に通すことを包含し得る。

本発明の開示による発電方法は、一次燃焼室からのＣＯ_２含有流をタービンに通して、ＣＯ_２含有流を膨張させて、発電し、ＣＯ_２を含むタービン排気流を生成することを包含し得る。さらに、当該方法は、ソーラーヒーターから第一燃焼室にＣＯ_２を進めることを包含し得る。付加的実施形態では、当該方法はさらに、第一燃焼室に進める前に、ソーラーヒーターから燃焼発熱器にＣＯ_２を通すことを包含する。さらにまた、当該方法は、熱交換器中でＣＯ_２を含むタービン排気流を冷却して、ＣＯ_２を含む冷却タービン排気流を生成することをさらに包含する。その後、当該方法は、水分離器中で冷却タービン排気流を精製して、冷却タービン排気流から乾燥ＣＯ_２を含む流れを生成することを包含し得る。冷却タービン排気流からの乾燥ＣＯ_２は加圧されて、加圧ＣＯ_２含有流を生成し、加圧ＣＯ_２含有流を熱交換器中で加熱された後、ソーラーヒーターで加熱され得る。

いくつかの実施形態では、本発明の開示による発電の方法は、以下の：一次燃焼室からのＣＯ_２含有流をタービンに通して、ＣＯ_２含有流を膨張させて、発電し、ＣＯ_２を含むタービン排気流を生成すること；熱交換器中でＣＯ_２を含むタービン排気流を冷却して、冷却タービン排気流を生成すること；冷却タービン排気流からのＣＯ_２を加圧して、加圧ＣＯ_２含有流を生成すること；熱交換器中で加圧ＣＯ_２含有流を加熱すること；ソーラーヒーターで加圧ＣＯ_２含有流を加熱すること；そして加圧およびソーラー加熱ＣＯ_２含有流を一次燃焼室に通すことを包含する。タービンに進入するＣＯ_２含有流は、約１５０ｂａｒ（１５ＭＰａ）以上の圧力であり得るし、約５００℃以上の温度であり得る。タービンに進入するＣＯ_２含有流の圧力対ＣＯ_２を含むタービン排気流の圧力の比は、約１２以下であり得る。

種々の実施形態では、ＣＯ_２含有流を加圧するステップは、当該流を複数のポンプ注入段階に進めることを包含し得る。さらに、ＣＯ_２含有流は、２つのポンプ注入段階間で冷却され得る。加圧ＣＯ_２含有流の一部分は、加圧ステップ御、ならびにソーラーヒーターに通したのちに、補足熱で加熱され得る。例えば、補助熱は、空気分離プラントからの圧縮の熱を含み得る。加圧およびソーラー加熱ＣＯ_２含有流は、一次燃焼室に通す前に、ソーラーヒーターから燃焼加熱器に通され得る。

当該方法は、さらに、タービンに通される加圧およびソーラー加熱ＣＯ_２含有流が１つ以上の燃焼生成物をさらに含むよう、酸素およびＣＯ_２含有流の存在下で一次燃焼室中で炭素質燃料を燃焼させることを包含し得る。当該方法は、熱交換器からの冷却タービン排気流を分離器に通して、燃焼生成物のうちの１つ以上をＣＯ_２から分離することも包含し得る。炭素質燃料は、具体的には液体または気体であり得る。

他の実施形態では、炭素質燃料は、部分的に酸化された燃焼生成物流れを含み得る。例えば、当該方法はさらに、部分的酸化燃焼室中でＯ_２およびＣＯ_２の存在下で固形燃料を燃焼させることをさらに包含し、固形燃料は単に部分的に酸化されて、不燃性構成成分、ＣＯ_２、ならびにＨ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｈ_２ＳおよびＮＨ_３のうちの１つ以上を含む部分的酸化燃焼生成物流を生じるような比率で、固形燃料、Ｏ_２およびＣＯ_２が提供される。部分酸化燃焼生成物流の温度が、当該流中の不燃性構成成分のすべてが固体粒子の形態であるほど十分に低いような比率で、固形燃料、Ｏ_２およびＣＯ_２が具体的に提供される。当該方法は、さらにまた、部分的酸化燃焼生成物流を１つ以上のフィルターに通すことをさらに包含し得る。固形燃料は、特定的には、石炭、褐炭、バイオマスまたは石油コークスを含み得る。さらに、固形燃料は微粒子形態であり、そしてＣＯ_２でスラリー化され得る。

所望により、一次燃焼室での燃焼の熱が、ソーラーヒーターを通過する加圧ＣＯ_２含有流を加熱するためにソーラーヒーターから利用可能な熱と反比例関係であるように、一次燃焼室に提供される炭素質燃料および酸素の量は制御され得る。例えば、ソーラーヒーターから利用可能な熱の量は、単一太陽周期の間、１０％より大きく変化し得る。このようなものとして、タービンに通される前記ＣＯ_２含有流の温度が単一太陽周期の間１０％未満変化するよう、燃焼室に提供される炭素質燃料および酸素の量は制御され得る。

本発明の開示の方法は、さらに、加圧ＣＯ_２含有流を種々のさらなる流れに分割することを包含し得る。例えば、いくつかの実施形態では、当該方法は、ソーラーヒーターを最初に通過せずに、加圧ＣＯ_２含有流の第一部分がソーラーヒーターに続き、そして加圧ＣＯ_２含有流の第二部分が一次燃焼室に進むよう、ソーラーヒーター中への通過前に、熱交換器を出る加圧ＣＯ_２含有流を分割することを包含し得る。種々の態様において、ソーラーヒーターは、ＣＯ_２含有流を約５００℃以上の温度に加熱し得る。他の実施形態では、ソーラーヒーターは、ＣＯ_２含有流により加熱され得る。

本発明の開示は、さらに発電システムを提供する。いくつかの実施形態では、本発明による発電システムは、以下のもので構成され得る：ソーラーヒーター；ソーラーヒーターと流体連絡する一次燃焼室；一次燃焼室と流体連絡する発電用タービン；発電用タービンおよび前記ソーラーヒーターと流体連絡する熱交換器；ならびに熱交換器と流体連絡する少なくとも１つの圧縮機。当該システムは、ソーラーヒーターと前記一次燃焼室との間に配置され、それらと流体連絡する燃焼ヒーターをさらに含み得る。さらに、当該システムは、熱交換器と少なくとも１つの圧縮機との間に配置され、それらと流体連絡する分離器を含み得る。さらにまた、当該系は、空気分離プラントを含み得る。このような空気分離プラントは、特定的には、断熱主要圧縮機およびブースター圧縮機を含む極低温空気分離プラントであり得る。当該システムに用いられる熱交換器は、一連の２つ以上の熱交換ユニットを含み得る。

いくつかの実施形態では、当該システムは、一次燃焼室の入口と流体連絡する出口を有する部分的酸化燃焼室をさらに含み得る。当該システムは、部分的酸化燃焼室の出口と一次燃焼室の入口との間に配置され、流体連絡するフィルターもさらに含み得る。いくつかの実施形態では、当該システムは、熱交換器のホットエンド出口から下流に配置され、流体連絡するスプリッターをさらに含むシステムであって、前記スプリッターは、部分的酸化燃焼室と流体連絡する第一出口およびソーラーヒーターと流体連絡する第二出口を有し得る。他の実施形態では、当該システムは、熱交換器のホットエンド出口から下流に配置され、流体連絡するスプリッターをさらに含むシステムであって、前記スプリッターは、一次燃焼室と流体連絡する第一出口および前記ソーラーヒーターと流体連絡する第二出口を有し得る。さらなる実施形態では、当該システムは、熱交換器のホットエンド出口から下流に配置され、流体連絡するフローバルブを含むシステムであって、前記フローバルブは、ソーラーヒーターと第一燃焼室との間の代替流に適合され得る。

本発明の開示の発電方法は、特定的には、発電の全体的電気に関して特性化され得る。例えば、発電は、少なくとも６０％の低位発熱量における総合効率で達成され得る。他の実施形態では、効率は少なくとも６５％であり得る。したがって、開示されるシステムおよび方法は、炭素回収貯留（ＣＣＳ）による発電に関する必要性を満たす。慣用的発電システムでＣＣＳを達成することは困難および／または費用効果的でないと立証されている一方で、密閉サイクル燃焼を利用する本発明の開示方法は、高効率を達成し、費用効果方式ですべて実行しながら、ＣＣＳに関する必要性を満たす。

ソーラーヒーターが燃焼室およびタービンと統合される本発明の開示の一実施形態による発電システムおよび方法を示す流れ図である。 一次燃焼室およびソーラーヒーターを含めた本発明の開示の一実施形態による発電システムおよび方法を示す流れ図である。 部分酸化燃焼室が一次燃焼室のほかに包含される本発明の開示のさらなる実施形態による発電システムおよび方法を示す流れ図である。 ソーラーヒーターおよび一次燃焼室間の再循環ＣＯ_２流を分割するためにスプリッターが包含される本発明の開示の別の実施形態による発電システムおよび方法を示す流れ図である。 再循環ＣＯ_２流を３つの流れに分けてソーラーヒーター、部分酸化燃焼室および一次燃焼室に進めるためにスプリッターが包含される本発明の開示のさらなる実施形態による発電システムおよび方法を示す流れ図である。 ソーラーヒーターおよび一次燃焼室間の再循環ＣＯ_２流を交互にするために２つの位置フローバルブが包含される本発明の開示のさらに別の実施形態による発電システムおよび方法を示す流れ図である。 ソーラーヒーターおよび燃焼流間の再循環ＣＯ_２流を交互にするために２つの位置フローバルブが包含され、これが順次、部分酸化燃焼室および一次燃焼室間で分割される本発明の開示のさらなる実施形態による発電システムおよび方法を示す流れ図である。 例示的単一太陽周期中の本発明の開示のある実施形態によるシステムの種々の加熱構成成分により供給される相対的加熱を示すソーラーサイクル発熱チャートである。

本発明の詳細な説明
種々の実施形態への言及を通して、以後、さらに詳細に本発明を記載する。これらの実施形態は、この開示が十分且つ完全であり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるよう、提供される。本発明は異なる形態で具体化され得るし、本明細書中に記述される実施形態に限定されるよう意図されるべきでない；むしろ、これらの実施形態は、この開示が適用可能な法的要件を満たすよう、提供される。本明細書中で、ならびに添付の特許請求の範囲で用いられる場合、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、そうでないことが明らかに示されない限り、複数の指示物を包含する。

米国特許公告２０１１／０１７９７９９（上に既述）は、ＣＯ_２サイクルが利用される発電システムおよび方法を記載する。いくつかの実施形態では、ＣＯ_２循環流体は、炭素質燃料（例えば、ＮＧ、石炭、合成ガス、バイオマス等）および酸化剤、例えば空気またはＯ_２とともに、高温および高圧に適した燃焼室中で提供され得る。このようなシステムおよび方法は、高温（例えば、約５００℃以上、約７５０℃以上、約１０００℃以上、または約１２００℃以上）で操作する燃焼室を含み得るし、流体流が発電のためのエネルギー運搬に利用され得るよう、循環流体の存在は、燃焼室を出る流体流の温度を調整するよう機能し得る。高い温度および圧力での、そして高再循環ＣＯ_２濃度を有する反応工程の性質は、優れた工程効率および反応速度を提供し得る。燃焼生成物流は、少なくとも１つのタービンを横断して膨張され、発電し得る。次に、膨張ガス流は冷却されて、燃焼副産物および／または不純物を当該流から除去し、膨張ガス流から引き出される熱を用いて、燃焼室に再循環し戻されるＣＯ_２循環流体を加熱し得る。

冷却状態では、燃焼流は、水およびその他の夾雑物の除去のために加工処理されて、燃焼のための材料を有する燃焼室を通して再循環し戻すための本質的に純粋なＣＯ_２流を提供し得る。精製ＣＯ_２流は、典型的には気体状態であり、ＣＯ_２が超臨界状態であるよう必要条件に当該流を付すために有益である。例えば、燃焼流が発電のためにタービンを通して膨張され、冷却され、本質的に純粋なＣＯ_２（例えば、少なくとも９５質量％、少なくとも９７質量％、または少なくとも９９質量％ＣＯ_２）を含むよう精製された後、その結果生じる再循環ＣＯ_２流は、圧縮されて、その圧力を、例えば約８０ｂａｒ（８ＭＰａ）に増大され得る。第二圧縮ステップは、その圧力をほぼ燃焼室における圧力−例えば約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）、約２５０ｂａｒ（２５ＭＰａ）または約３００ｂａｒ（３０ＭＰａ）に増大するために用いられ得る。圧縮工程間で、より高圧に当該流をポンプ注入するのに必要とされるエネルギー入力を低減するために、ＣＯ_２流は冷却されて、当該流の密度を増大し得る。次いで、最終加圧再循環ＣＯ_２流は、さらに加熱され、燃焼室中に入れ戻される。

上記の発電システムおよび方法は慣用的発電システムおよび方法を上回る効率増大を提供する（そして、一方で生成炭素を同時に捕捉する）が、しかし本発明のシステムおよび方法は、集光型太陽熱発電（ＣＳＰ）システムでの燃焼によりサイクル効率をさらに増大し得る。ＣＳＰシステムは、燃焼サイクルにおいて燃焼室を用いることに代わるものとして十分利用可能な日照時間の間、再循環ＣＯ_２流の加熱を提供し得るし、あるいはＣＳＰシステムは、燃焼サイクルにおける燃焼室の燃料要件を低減するために再循環ＣＯ_２流の補足的加熱を提供し得る。

本発明の開示による有用なＣＳＰシステムは、本明細書中に記載されるような発電システムにおける作動流体のために必要な加熱を十分に生じるよう、集光型太陽熱発電に適合される任意の太陽熱収集器を包含し得る。好ましくは、高温太陽熱収集器が用いられ得る。本発明の開示に従って太陽熱を収集するために利用され得る太陽熱収集器システムの非限定的一例は、パラボラトラフであって、これは、一連の湾曲鏡面処理トラフを用いて、トラフの長軸に沿って走行し、反射装置の焦点に位置する流体を含有する収集管（受容器、吸収器または収集器とも呼ばれる）上に直接太陽光を反射させ得る。トラフは、一軸に沿って放物線状であり、直交軸では線状である。トラフは、毎日および／または季節ごとに位置調整されて、太陽光収集を最大にし得る。吸収器流体は、中央発熱器に流動し得る。発電塔（中央発電塔プラントまたはヘリオスタット発電プラントとしても既知）は別の例であり、受容器上に収集日光を集めるためにヘリオスタットフィールドを利用し得るが、これは、典型的には、当該フィールドの中心に塔の頂上を置く。このようなシステムでは、ヘリオスタットは、塔上の熱収集器に太陽熱を集めるために、垂直配列で（例えば、皿状または放物線状に）配置される。フレネル反射鏡は、本発明の開示に従って用いられ得る有用な太陽光収集技法のさらなる一例である。

本明細書中のある実施形態では、ＣＳＰシステムは、太陽光収集器およびソーラーヒーターを含み得る。一般的には、太陽光収集器は、太陽光を集め、集中させるために蒸気のようなヘリオスタット、鏡、レンズ等で構成され得る。ソーラーヒーターは、収集および集中太陽光線からの熱を運搬して、および／または熱を変換して、作動させるよう適合させる１つ以上の構成成分を含み得る。例えば、ソーラーヒーターは、熱が貯蔵され、そして熱が別の材料または流体、例えばそこを通過し得るＣＯ_２含有流に移され得るヒートシンクを含み得る。他の実施形態では、ソーラーヒーターは、太陽周期作動流体（例えば、ＣＯ_２含有流、溶融塩流体等）を含み得る。このような作動流体は、加熱のために蒸気のような収集器管を通過し得るし、あるいは収集および集中太陽光線による加熱のためにソーラーヒーター中にのみ存在し得る（例えば、発電塔中）。したがって、ソーラーヒーターは、太陽周期作動流体から別の材料または流体、例えばＣＯ_２含有流に熱を移すために有用な伝熱構成成分を含み得る。このような実施形態では、ソーラーヒーターという用語は、そこを通過する太陽周期作動流体を有し、そして熱交換関係でそこをＣＯ_２含有流（一例として）が通過するために適合されている別個のユニットを包含し得る。ソーラーヒーターという用語は、太陽周期作動流体が熱収集部分から熱伝達部分に通され得るより膨張性のシステムも包含し得る（この場合、既述のように、太陽周期作動流体からの熱が別の材料または流体に通され得る）。

種々の実施形態では、本発明の開示による発電方法は、一次燃焼室からのＣＯ_２含有流をタービンに通して、ＣＯ_２含有流を膨張させて、発電し、ＣＯ_２を含むタービン排気流を生成することを包含し得る。ＣＯ_２を含むタービン排気流は、熱交換器中で冷却されて、冷却タービン排気流を生成し得る。当該方法は、さらに、冷却タービン排気流からのＣＯ_２を加圧して、加圧ＣＯ_２含有流を生成することを包含し得るが、この流れは、熱交換器中で加熱され得る。再加熱加圧ＣＯ_２含有流は例えば、加圧ＣＯ_２含有流をソーラーヒーターに通すことによりソーラーヒーターでさらに加熱され得るし、あるいは加圧ＣＯ_２含有流とソーラー加熱サイクル作動流体（例えば溶融塩流体または別個のＣＯ_２流）との間に熱交換を包含し得る。さらに、当該方法は、加圧およびソーラー加熱ＣＯ_２含有流を一次燃焼室に通すことを包含し得る。

本発明の開示による発電システムは、図１の線図に示されている。そこでわかるように、当該システムは、一般的に、一次燃焼室１０と流体連絡するソーラーヒーター９０を含み、燃焼室１０は、次に、タービン２０と流体連絡する。使用に際して、気体燃料流７（または本明細書中でさらに考察されるような他の燃料型）は、酸素流５およびＣＯ_２含有流９２と一緒に一次燃焼室に導入される。燃料は、密閉型システムを通して再循環され得る作動流体として存在するＣＯ_２とともに一次燃焼室中の酸素で燃焼され得る。ＣＯ_２および任意の燃焼生成物を含み加圧されている燃焼室退出流１２は、タービンに進み、ここで、燃焼室退出流は膨張されて、発電し、タービン排気流２２を生成する。タービン排気流の性質によって、それは、例えば存在し得る燃焼生成物、例えば水および／または過剰ＣＯ_２を除去するために、さらに加工処理され得る。したがって、本発明の開示によるシステムは、本明細書中で別の箇所に記載されるような種々のさらなる構成成分を包含し得る。さらなる加工処理タービン排気流からのＣＯ_２は、ＣＯ_２再循環流３４としてソーラーヒーターに投入され得る。したがって、ソーラーヒーター退出流９２は、ＣＯを、再循環化作動流体として燃焼室に向け戻し得る。

いくつかの実施形態では、燃焼室１０は、ピーク太陽熱生成の時間中のように、完全に閉められる。このような場合、ソーラーヒーター退出流９２の熱は、燃焼室から燃焼の熱のための必要性をなくするのに十分であり得る。このようなものとして、循環流は、燃焼生成物の冷却および除去を必要とせずに、連続サイクルが実行され得るのに十分に不純物を含まない。したがって、タービン排出流２２は、そらひた９０に直接通されて、したがって、ＣＯ_２再循環流になる。他の実施形態では、タービン排出流は、１つ以上のポンプおよび／または圧縮器（例えば、図２参照）を通過させられて、ＣＯ_２再循環流としてのソーラーヒーターへの通過前に、タービン排出流を加圧し得る。

燃焼室１０は、所望により、ピークソーラー発熱中に閉じられ得るが、しかし、連続操作におけるすべての構成成分を有する統合システムを操作することが有益であり得る。太陽熱収集器システムにより提供される発熱は、単一ソーラーサイクルを通して変わり得る。本明細書中で用いられる場合、単一ソーラーサイクルは、単一２４時間日を意味するよう意図され、これは、任意の点から、例えば真夜中から正午まで、または正午から正午までを測定され得る。日中、ソーラー発熱が利用可能であり、典型的には、日の出からピーク日光時間まで増大し、次いで、日没が近づくと現象する。ソーラーヒーターの性質および太陽熱貯蔵の利用可能性によって、ソーラーヒーターにより生成される熱は、単一ソーラーサイクルに亘って増大し、減少する。このようなものとして、ソーラーヒーターから利用可能な熱の量は、単一ソーラーサイクルの間、例えば５％以上、１０％以上、２０％以上、３０％以上、または５０％以上変わり得る。いくつかの実施形態では、単一ソーラーサイクルに亘ってソーラーヒーターから利用可能な熱の量は、５％〜７５％、１０％〜７０％、または１５％〜６０％変わり得る。しかしながら、本発明に開示される統合システムの連続操作により、一定タービン入口温度が保持され得る。

ピークソーラーエネルギー利用可能性の期間中、太陽光線はソーラーヒーターに集光されて、当該システムを通してタービンに循環されるＣＯ_２に関して必要な熱の１００％までを提供する。利用可能なソーラーエネルギーが減少すると、燃焼室への燃料および酸素投入量は、所望のタービン入口温度を保持するために必要とされるように、増大され得る。利用可能な太陽エネルギーが不十分である期間中、必要な場合には、当該システムは、燃焼室燃料単独で操作され得る。本発明の開示のシステムおよび方法は、さらに、ピーク負荷器官中の燃焼室燃料の使用を可能にし、条件が許すならば、ソーラーのみ、または主にソーラーベースの負荷操作に戻し得る。燃焼室に提供される燃焼燃料および酸素の量は、一次燃焼室における燃焼の熱が、そこを通過するＣＯ_２含有流を加熱するためのソーラーヒーターから利用可能な熱と逆に関連するように制御され得る。上記のように、これは、タービン進入時点で本質的に一定の温度を保持するために提供され得る。例えば、燃焼室に提供される炭素質燃料および酸素の量は、タービンに通されるＣＯ_２含有流の温度が単一ソーラーサイクルに亘って２％未満変化し得るよう制御され得る。他の実施形態では、タービンに通されるＣＯ_２含有流の温度は、単一ソーラーサイクルに亘って、５％未満、１０％未満または１５％未満変わり得る。さらなる実施形態では、タービンに通されるＣＯ_２含有流の温度は、単一ソーラーサイクルに亘って、約２％〜約１５％、約３％〜約１２％または約５％〜約１０％変わり得る。

上記のような本発明の開示によるシステムの操作は、いくつかの理由で有益である。例えば、これは、ソーラーヒーターと一次燃焼室との間の複雑な切り替えサイクルが回避され得るという点で、操作方法に簡易性を付与し得る。さらに、燃焼システムおよび方法の効率は、有意に増大され得る。例えば、統合システムでは、総エネルギー出力の約２５％が太陽エネルギーに由来する（例えば、１日の日照の６ピーク時間）、そして燃焼サイクルが約５０％の無類の効率（天然ガス燃料に関する）を有する場合には、天然ガス燃料を用いる統合システムの所定の２４時間の平均効率は約６６％であり得る。

本発明の開示のシステムおよび方法のある実施形態は、図２で提供される流れ図に示されている。この図に関しては、気体燃料流３は、ポンプ６中に吸い込まれて、加圧気体燃料流７を生成し、これは、一次燃焼室１０に向けられる。一例では、気体燃料は天然ガスであり得る；しかしながら、他の気体燃料、例えば合成ガスが用いられ得る。さらに、液体燃料が用いられ得る。図２に包含される実施形態では、空気分離プラント１１０からの酸素流５も燃焼室に向けられる。空気分離プラントは、空気供給源１からの精製酸素を提供するために用いられ得る。例えば、酸素流は、約９５％モル以上、約９７％以上または約９９％以上の純度で酸素を含み得る。燃焼室では、燃料は、ＣＯ_２再循環流の存在下で酸素を用いて燃焼されて、燃焼室退出流１２を生成し、これは、この実施形態では、ＣＯ_２作動流体および任意の燃焼生成物、例えば水および／またはＣＯ_２を含む。

一次燃焼室は、必要な温度および圧力での燃焼に適した任意の燃焼室、例えば蒸散冷却燃焼室（これに限定されない）であり得る。燃焼室に通されるＣＯ_２再循環流は、約１５０ｂａｒ（１５ＭＰａ）以上、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）以上、約２５０ｂａｒ（２５ＭＰａ）以上または約３００ｂａｒ（３０ＭＰａ）以上の圧力で提供され得る。他の実施形態では、圧力は、約１５０ｂａｒ（１５ＭＰａ）〜約４００ｂａｒ（４０ＭＰａ）、約２００ｂａｒ（２０ＭＰａ）〜約３８０ｂａｒ（３８ＭＰａ）または約２５０ｂａｒ（２５ＭＰａ）〜約３５０ｂａｒ（３５ＭＰａ）であり得る。一次燃焼室での燃焼は、例えば、約５００℃以上、約６００℃以上または約７００℃以上の温度で実行され得る。他の実施形態では、燃焼は、約５００℃〜約１８００℃、約５５０℃〜約１６００℃または約６００℃〜約１２００℃の温度で実行され得る。他の実施形態では、本明細書中の他の箇所に記載されるようなさらなる温度範囲も用いられ得る。種々の実施形態において、燃焼室退出流１２中のＣＯ_２は、超臨界状態であり得る。

ＣＯ_２を含む燃焼室退出流は、発電機２５により電力を発生する発電タービン２０に通される。発電方法は、タービンを横断する圧力比により特性化され得る。燃焼室退出流（タービンに入る）の圧力対ＣＯ_２を含むタービン排出流（タービンを出る）の圧力の比は、約１２以下、約１０以下または約８以下であり得る。さらに、圧力比は、約４〜約１２、約５〜約１０または約６〜約１０であり得る。

タービン２０を出るタービン排気流２２は、熱交換器３０を通過することにより冷却されて、その温度を低減し得る。これは、タービン排気流からの任意の不純物（例えば、燃焼生成物）の分離を可能にするために特に有用であり得る。熱交換器（いくつかの実施形態では、燃焼生成物熱交換器として特性化され得る）は、いくつかの実施形態では、多段階熱交換器または一連の〜２以上、好ましくは３連続熱交換ユニットであり得る。このようなシリーズでは、第一シリーズの熱交換ユニット（ホットエンドからコールドエンドに通過）は、高い広範な温度範囲に亘って、例えばタービン出口温度から約１５０℃〜約２００℃の範囲まで、熱を移動させ得る。第二シリーズの熱交換ユニットは、中間の狭い温度範囲に亘って、例えば第一シリーズの熱交換ユニットの出口温度から、約８０℃〜約１４０℃の範囲まで、熱を移動させ得る。第三シリーズの熱交換ユニットは、低温度範囲に亘って、例えば約２０℃〜約７５℃の範囲に亘って熱を移動させ得る。このような範囲は、同様に、当該シリーズの各熱交換ユニットのコールドエンドからホットエンドに通される流体に当てはまり得る。このようなシリーズは、当該シリーズの熱交換ユニットのコールドエンドから、熱交換ユニットのホットエンドに通過するＣＯ_２再循環流の付加加熱が限定時点で投入され得る、という点で有益であり得る。例えば、第三シリーズ熱交換ユニットを出る、そして第二シリーズ熱交換ユニットに入る当該流は、分割され、一分画は第二シリーズ熱交換ユニットに進入し得るが、一方、他の分画は外部供給源、例えば空気分離プラントから捕捉される圧縮の熱から加熱される。より高い加熱分画は、次に、第二シリーズ熱交換ユニットを出る、そして第一シリーズ熱交換ユニットに入る当該流と合流され得る。このような付加熱は、ＣＯ_２再循環流の温度を、タービン排気流の温度に比して好ましい閾値内にするのに有益であり得る。具体的には、ＣＯ_２再循環流は、タービン排気流の温度の５０℃以下、４０℃以下または３０℃以下以内に加熱され得る。

熱交換器３０を出る冷却済みタービン排気流３２は、好ましくは、ＣＯ_２を気体状態で含み、低温冷却器４０（例えば、冷水器）に通され得るが、これは、タービン排気流をほぼ周囲温度に冷却するために有用であり得る。特定の実施形態では、低温冷却器は、気体ＣＯ_２流を約５０℃以下、約４０℃以下または約３０℃以下の温度に冷却し得る。当該システムのこのような構成成分は、特に、任意であり得る。低温排出流４２は、分離器５０に通されるが、これは、図示実施形態では、特定的に水分離器である。したがって、水流５４がそこから引き出され、乾燥ＣＯ_２流５２が分離器を出て、１つ以上のポンプまたは圧縮機に通され得る。

図示したように、乾燥ＣＯ_２流５２は、ポンプ６０に通されるが、これは、乾燥ＣＯ_２流の圧力を、ＣＯ_２が超臨界状態であるのに十分な圧力に増大するのに有用であり得る。例えば、圧力は、約７５ｂａｒ（７．５ＭＰａ）以上または約８０ｂａｒ（８ＭＰａ）以上に増大され得る。その結果生じるポンプ放出ＣＯ_２流６２は、高密度化冷却器７０中でさらに冷却されるが、これは、超臨界ＣＯ_２の密度を増大してエネルギー要件を低減し、ＣＯ_２流を燃焼室１０への再循環のために有用な圧力に圧縮するために特に有用であり得る。当該流は、特に、約２００ｋｇ／ｍ^３以上、約４００ｋｇ／ｍ^３以上、約６００ｋｇ／ｍ^３以上または約８００ｋｇ／ｍ^３以上の密度に高密度化され得る。より高密度の冷却器放出ＣＯ_２流７２は、次に、圧縮器８０に通されて、燃焼室への投入のために、好ましくはＣＯ_２再循環流に関して上記の範囲である範囲にその圧力を増大され得る。圧縮ＣＯ_２放出流８２は分割され得るし、あるいは全体で燃焼サイクルに戻され得る。有益であるのは、所望により、任意の過剰ＣＯ_２（例えば、燃焼に起因するＣＯ_２）が高圧ＣＯ_２パイプライン流８４として、すなわち、パイプラインへの投入に適した条件下で、引き出されることである。引き出されたＣＯ_２の所望の用途（例えば、油回収増強、金属イオン封鎖等）は、本発明の開示に包含される。

圧縮ＣＯ_２放出流（再循環分画）８６は、ＣＯ_２含有流をタービン放出流の温度またはそれに近い温度に加熱するために、熱交換器３０に通し戻され得る。特定の実施形態では、熱交換器を出る再循環ＣＯ_２流の温度は、タービン放出流の温度と約５０℃以下だけ、異なり得る。所望により、熱交換器に通す前または通過中に、ＣＯ_２含有流に付加的加熱が投入され得る。例えば、空気分離ユニット１１０における断熱圧縮に由来する熱は、ＣＯ_２含有流に付加され得る。図示したように、高温伝熱流１１２は、空気分離プラントから熱交換ユニットに（例えば、熱交換器に、または多段階熱交換器中の１つ以上の熱交換ユニットに）通され、そして低温伝熱流１１４は、熱交換器から空気分離プラントに戻し通され得る。

熱交換器３０を出る当該流は、ＣＯ_２再循環流であるとして特性化され得る。このようなものとして、ＣＯ_２再循環流３４は、燃焼室１０への投入に適した圧力および／または温度であり得る。図示実施形態では、ＣＯ_２再循環流は、先ず、ソーラーヒーター９０に通されるが、これは、単一ユニットであるか、あるいは上記のように、ＣＳＰシステムの一構成成分であり得る。図示したように、太陽エネルギー光線２２２は、太陽熱収集器２２０から反射して、集光日射２２４は、ソーラーヒーターに集められる。ソーラーヒーターを通過するＣＯ_２再循環流は、ＣＳＰシステムの状態によって、変わることも変わらないこともある。図示したように、流体流は、直接的にソーラーヒーターを通過して、集光システムから熱を直接回収する。他の実施形態では、作動流体流（すなわち、再循環ＣＯ_２流）は、熱交換関係において、第二作動流体（例えば太陽周期作動流体）と連動し得る。このような第二作動流体は、既知の太陽熱集光器に関連して上記したように、発熱のために太陽集光器システムを通って循環し得る。例えば、例えば、溶融塩作動流体は、太陽熱収集器システムに組み入れられ、ソーラーヒーターに入る再循環ＣＯ_２流は、溶融塩作動流体から熱を受け取り得る。

上記のように、十分な太陽熱収集の期間中、ソーラーヒーターは、それを通過するＣＯ_２再循環流が温度を増大される温度に加熱され得る。より少ない太陽熱収集の時点で、ソーラーヒーターは、熱交換器を出るＣＯ_２再循環流と本質的に同一温度であり、ＣＯ_２再循環流は、加熱も冷却もされ得ない。太陽熱収集がほとんどまたは全くない時点で、ソーラーヒーターは、それを通過するＣＯ_２再循環流により温度を増大され得る。このようなものは、ソーラーヒーターが本質的に一定温度に、例えばソーラーヒーターのピーク加熱温度の約５％以内、約１０％以内、約２０％以内または約３０％以内に保持され得る点で有益であり得る。既知の太陽熱収集システムでは、受容器は、典型的には、毎太陽周期中、極熱いから非常に涼しいまで循環する。この熱循環は、受容器に対するデザインチャレンジを提示し、日々の熱応力の構築のために受容器（すなわち、ソーラーヒーター）が達成できなくさせ得るし、あるいは温度で限定されるその設計を必要にし得るが、これは性能を限定する。システム操作温度でのまたはほぼそれに近い温度でのＣＯ_２流が受容器を通って絶えず流動する本発明の開示の顕著な実施形態では、１日の温度循環は回避され得る。したがって、ソーラーヒーターは、より信頼できるようになり、より高温のために構築されて、高効率性を可能にする。

再循環ＣＯ_２を含むソーラーヒーター退出流９２は、いくつかの時点で、一次燃焼室１０のための必要投入温度より低い温度であり得る。したがって、いくつかの実施形態では、燃焼ヒーター１００は、ソーラーヒーターの出力と一次燃焼室の入力との間に配置され得る。燃焼ヒーターは、例えば気体燃料流７または別個の燃料流の一分画を燃焼して、ＣＯ_２再循環流体の温度を設定するために必要とされる低レベル加熱を提供し得る。したがって、燃焼ヒーター退出流１０２は、一次燃焼室への投入のために必要とされる温度であり、一次燃焼室に直接通され得る。理解されるように、燃焼ヒーターは任意であり、存在する場合、ソーラーヒーター退出流が必要温度閾値より低いオフピーク・ソーラーパワー期間中のみ燃え得る。

図２に示されているように、本発明の開示の統合システムは、長方形熱遮蔽板２００を包含し得る。熱遮蔽板は、オフピーク・ソーラーパワー期間中に展開されて、ソーラーヒーター９０からの熱損失を阻止し得るが、一方、太陽熱収集器２２０は、不十分な加熱を供給して、ソーラーヒーターに必要とされる高温を保持し得る。熱遮蔽板は、ソーラーヒーターからの放熱を阻止するおよび／または反射熱を提供する、すなわち、ソーラーヒーターに放熱損失を反映するために有益である任意の物質を含み得る。熱遮蔽板は、ピークソーラーパワー期間中、すべての利用可能な太陽光線がソーラーヒーターに向けられて、熱容量を最大にするよう、長方形であり得る。

本発明の開示によるシステムおよび方法は、ソーラーヒーターからの入熱を最大にするための蓄熱も包含し得る。ある実施形態では、ソーラーヒーターおよび関連収集システムは、発電システムおよび方法のために必要とされる総熱の一部分の実を提供し得る。したがって、必要とされる必要最小熱のために一次燃焼室中への燃焼燃料の一定最小流動を保持することが有用であり得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、ソーラーヒーターおよびその関連収集システムは、全体的発電システムおよび方法の操作条件に必要とされるものを上回る過剰加熱を提供し得る。このような実施形態では、開示システムおよび方法は、１つ以上の蓄熱構成成分、例えば加熱ＣＯ_２貯蔵所または加熱溶融塩貯蔵所を包含し得る。貯蔵熱（例えば、ＣＯ_２貯蔵タンクまたは溶融塩貯蔵タンク中）は、次に、非ピーク太陽熱期間中に利用されて、一次燃焼室からの加熱をさらに捕捉し、そしてピーク太陽加熱期間中にソーラーヒーターにより生成される過剰量の熱を保存し得る。例えば約２，０６３ｋＷｈ／ｍ^２という米国南西部における照射率に基づいた算定は、本発明の開示のある実施形態によるシステムが、１００％太陽由来加熱でのピーク太陽加熱期間で操作し得るし、当該システムへの総太陽熱投入がシステム容量の約３２．９％であり得る、ということを示している。

本発明の開示は気体または液体燃料を利用するとして図２に関連して考察されるが、しかし統合システムおよび方法は、固形燃料、例えば石炭、褐炭、バイオマス、廃棄物および石油コークスも利用し得る。このような実施形態では、一次燃焼室中で燃焼され得る燃焼可能生成物の放出流を提供する固形燃料のための予燃焼室を包含することは有用であり得る。例示的実施形態は、図３に示されているが、この場合、酸素流５は分割され、ＰＯＸ酸素流３５４が、加圧細粒化燃料スラリー３３２と一緒に、部分酸化（ＰＯＸ）燃焼室３６０に投入され得る。スラリーを調製するために、固形燃料流３０５（例えば石炭）は、ミル３１０中で磨砕されて、細粒化固形燃料流３１２を提供し、これは、発電機３２１により出力されるミキサー３２０中でスラリー化される。細粒化固形燃料は、圧縮機８０による加圧前に、高密度化冷却器放出ＣＯ_２流７２から引き出されるＣＯ_２スラリー分画７４と併合される。好ましくはこの時点で超臨界であるＣＯ_２は、細粒化固形燃料と併合して、低圧スラリー３２２を生成し、これは次に、スラリーポンプ３３０を通過して、ＰＯＸ燃焼室への投入においてのように、加圧細粒化燃料スラリー３３２を提供する。さらに、ＰＯＸ燃焼室への投入は、ＣＯ_２再循環流ＰＯＸ分画３８であって、これは、例えばスプリッター３５を介して、ＣＯ_２再循環流３４から得られる。さらにまた、スプリッターを出るのはＣＯ_２再循環流ソーラーヒーター分画３６である。

ＰＯＸ燃焼室での燃焼はＰＯＸ燃焼流３６２を提供し、これは、種々の構成成分を含み得る。具体的実施形態では、固形燃料の部分酸化が不燃性構成成分、ＣＯ_２、ならびにＨ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｈ_２ＳおよびＮＨ_３のうちの１つ以上を生じるような割合で、固形燃料、Ｏ_２およびＣＯ_２が提供され得る。ＰＯＸ燃料流は、フィルター３７０に通されて、任意の不燃性構成成分、例えば灰を除去し得る。その結果生じる濾過済みＰＯＸ燃焼流３７４は、燃焼燃料として一次燃焼室１０に向けられ、本質的に気体および／または液体燃料材料のみを含み得る。濾過済み微粒子流３７２は、廃棄のためにフィルターから取り去られ得る。

上記の開示に伴う燃焼に際して、図３に包含される実施形態は、図２に関して他の箇所で考察されたシステム構成成分を本質的に含み、そしてその使用方法は、図２に関して考察されたように実行され得る。特に、燃焼室退出流１２は、タービン２０を通り抜けて膨張され得る。タービン排出流２２は、熱交換器３０を通過して冷却され得る。冷却タービン排出流は、所望により、低温冷却器４０中でさらに冷却され、低温排出流４２は、不純物流５４として分離器５０中でそこから分離される任意の水およびその他の不純物を有し得る。乾燥ＣＯ_２流５２は、ポンプ６０において加圧され、ポンプ放出ＣＯ_２流６２は、高密度化冷却器７０中で冷却され、高密度化され得る。高密度化冷却器放出ＣＯ_２流は、上記のように分割され、分画７４はミキサーに向けられ、残りの分画７２は圧縮機８０中で圧縮される。圧縮ＣＯ_２放出ＣＯ_２流は、分割され得る。圧縮ＣＯ_２放出流（再循環分画）８６は、熱交換器に戻し通されて、圧縮ＣＯ_２放出流（フィルター分画）８８は、フィルター３７０に通される。パイプラインのための任意の残りの高圧ＣＯ_２が、上記のように引き出され得る。熱交換器のホットエンドを出るＣＯ_２再循環流３４は、上記のようにスプリッター３５で分割され、それぞれの分画は、上記の図３に関して既述のように当該システムを通して進行する。

図２に戻ると、ＣＯ_２再循環流３４は、一次燃焼室１０への通過の前に、ソーラーヒーター９０および任意の燃焼ヒーター１００を通過するよう設計され得る。他の実施形態では、例えば図３の場合と同様であるが、ＣＯ_２再循環流は、任意に分割され得る。ＣＯ_２流は図３においてＰＯＸ燃焼室への投入のために分割されるが、一方、このような分割は、ＣＯ_２流量を当該システムの他の構成成分に向けるために用いられ得る。例えば、図４に示したように、熱交換器３０のホットエンドを出るＣＯ_２再循環流は、燃焼再循環ＣＯ_２スプリッター１３５を通過して、２つの出口流を形成し得る。ＣＯ_２再循環ソーラーヒーター分割流１３６はソーラーヒーター９０を通して方向づけられ、そしてＣＯ_２再循環一次燃焼室分割流１３７は直接一次燃焼室１０に進み得る。燃焼再循環ＣＯ_２スプリッターは、例えば、進入ＣＯ_２再循環流の固定比率区分を有し得る、または進入ＣＯ_２再循環流の可変区分を有し得る簡易フロースプリッターであり得る。固定区分は、１０：９０ソーラーヒーター流量対一次燃焼室流量から、９０：１０ソーラーヒーター流量対一次燃焼室流量（質量流量を基礎にして）の範囲であり得る。他の固定比率区分（ソーラーヒーター流量対一次燃焼室流量）は、２０：８０〜８０：２０、３０：７０〜７０：３０または４０：６０〜６０：４０（質量流量を基礎にして）であり得る。可変区分が用いられる実施形態では、ソーラーヒーターおよび一次燃焼室に対する流量比は、ソーラーヒーターの発熱状態に基づいて変更され得る。例えば、ピーク太陽加熱期間では、５０％以上、７５％以上、８０％以上または９０％以上の質量流量がソーラーヒーターに向けられ得る。低太陽加熱の期間中、質量流量の大部分（例えば、蒸気と同一の質量流量比）が、一次燃焼室に向けられ得る。可変流量弁の自動制御も包含され得る。具体的には、ソーラーヒーターからの熱排出量は、継続的にまたは間欠的にモニタリングされ、予定ＣＯ_２流量計画と比較され得る。燃焼再循環ＣＯ_２スプリッターを通るＣＯ_２の質量流量は、ソーラーヒーターからの放出量が増大し、ソーラーサイクルを通して減少されると、自動的に調整され得る。例えば、ソーラーヒーターからの利用可能な熱が増大すると、ＣＯ_２質量流量のパーセンテージが自動的に且つ比例的にＣＯ_２再循環ソーラーヒーター分割分に対して増大され、ＣＯ_２再循環一次燃焼室分割分に対して減少され得る。ソーラーヒーターからの利用可能熱が増大すると、ＣＯ_２質量流量のパーセンテージは、自動的且つ比例的に、ＣＯ_２再循環ソーラーヒーター分割分に対して減少し、ＣＯ_２再循環一次燃焼室分割分に対して増大する。したがって、本発明の開示のシステムは、コンピューター化制御素子、例えばソーラーヒーターからの利用可能な熱を測定するよう適合される、そして必要な場合はフローバルブを開閉して、ＣＯ_２再循環流のソーラーヒーター流量および一次燃焼室流量を調整するよう適合されるハードウェアおよび／またはソフトウェアを包含し得る。

ＣＯ_２再循環流の同様の分割は、固形燃料および部分酸化燃焼室が用いられる実施形態で提供され得る。図５では、例えば、図３に関して上記されたものと実質的に同様のシステムが示されている。図５の実施形態は、スプリッター３５が再配置され、ＣＯ_２再循環流３４が３つの別個の流れに分割するよう設計される、という点で異なる。ＣＯ_２再循環流ＰＯＸ分画３８は、再び、ＰＯＸ燃焼室３６０に直接進行する。ＣＯ_２再循環流ソーラーヒーター分画３６は、同様に、再びソーラーヒーター９０に直接進む。専用ＣＯ_２再循環一次燃焼室分画３７は、ここで、一次燃焼室１０に直接提供される。図５に関して、図５におけるスプリッターは、固定比率区分または可変比率区分のために設計され得る。いくつかの実施形態では、スプリッターを通る大多数のＣＯ_２再循環流流量（質量流量を基礎にして）は、３つの流れのうちの１つに向けられ得る。言い換えれば、スプリッターを通る大部分のＣＯ_２再循環流流量（質量流量を基礎にして）はＰＯＸ燃焼室に向けられ得るし、あるいはスプリッターを通る大多数のＣＯ_２再循環流流量（質量流量を基礎にして）はソーラーヒーターに向けられ得るし、あるいはスプリッターを通る大多数のＣＯ_２再循環流流量（質量流量を基礎にして）は、一次燃焼室に向けられ得る。

図２に戻ると、所望により、ＣＯ_２再循環流３４は、交互に、全体で、ソーラーヒーター９０または一次燃焼室１０に向けられ得る。例えば、図６に示されているように、２ポジション・フローバルブ２３５は、ＣＯ_２再循環流の直列に配置され得る。１００％のＣＯ_２再循環流がＣＯ_２再循環ソーラーヒーターループ２３６においてソーラーヒーター９０に進むよう、フローバルブはソーラーヒーター位置に配置され得る。この配置は、ピーク太陽加熱時間中に用いられ、したがって、ＣＯ_２再循環流のすべてがソーラーヒーターにおいて加熱される。このような実施形態では、燃焼室ヒーターは、特に、ソーラーヒーター退出流９２の付加的加熱が必要とされない場合、存在し得ず、そしてソーラーヒーター退出流は、次に、一次燃焼室に直接進行し得る。フローバルブは、代替的には、一次燃焼室位置におかれ、したがって、１００％のＣＯ_２再循環流が、ＣＯ_２再循環一次燃焼室ループ２３７において一次燃焼室１０に進む。この配置は、ＣＯ_２再循環流を一次燃焼室に入るために必要な温度に加熱するのに不十分な加熱がソーラーヒーターにおいて提供され得るオフピーク太陽加熱時間中に用いられ得る。次に、ＣＯ_２再循環流の全体が、一次燃焼室中で必要な温度に加熱され得る。

２ポジション・フローバルブの使用は、一次燃焼室中での部分酸化生成物の燃焼の前に、固形燃料がＰＯＸ燃焼室中で燃焼される実施形態においても用いられ得る。例えば、図７に示したように、２ポジション・フローバルブ２３５は、ＣＯ_２再循環流３４の直列に配置される。フローバルブは、ソーラーヒーター位置に配置され、したがって、１００％のＣＯ_２再循環流が、ＣＯ_２再循環ソーラーヒーターループ２３６におけるソーラーヒーター９０に進む。この配置は、ピーク太陽加熱時間中に用いられ、したがって、ＣＯ_２再循環流のすべてがソーラーヒーター中で加熱される。このような実施形態では、ソーラーヒーター退出流９２の付加的加熱は必要でなく、ソーラーヒーター退出流は、次に一次燃焼室に直接進行し得るので、燃焼ヒーターは、特に存在し得ない。フローバルブは、代替的には、併合燃焼室位置におかれ、したがって、１００％のＣＯ_２再循環流が、ＣＯ_２再循環併合燃焼室ループ２３９において２つの燃焼室に進む。このループは、具体的には、燃焼再循環ＣＯ_２スプリッター１３５において分割され、この場合、再循環ＣＯ_２の一部分はＣＯ_２再循環流ＰＯＸ分画３８中でＰＯＸ燃焼室３６０に通され、再循環ＣＯ_２の一部分はＣＯ_２再循環一次燃焼室分画３７中で一次燃焼室１０に通され得る。

前記から分かるように、本発明の開示の統合システムおよび方法は、燃焼発電システムおよび方法の効率を改良するためにＣＳＰシステムからのすべての利用可能な発熱を利用するために特に有益であり得る。これは図８に示されているが、この場合、燃料として天然ガスを利用する統合システムおよび方法における種々の供給源からの相対的発熱が示されている。このような発熱源は、真夜中から真夜中までの例示的太陽周期中にマッピングされる。そこで観察されるように、非日照時間中、一次燃焼期間４０１が統合システムにおける発熱のほとんどまたは全部を占めるよう、一次燃焼室は点火される。日の出が進むと、一次燃焼期間は終結し得る（しかし、さらなる漸次現象が起こり得る）が、一方、太陽熱期間４０３は増大する。太陽熱がピーク太陽熱放出アプローチとして漸増している時間中、燃焼ヒーターは点火されて、加熱を補足し、燃焼加熱期間４０５が開始し、漸次減少し得る。ピーク太陽熱放出が衰え始めると、一次燃焼期間が開始し、発熱を支配するよう太陽熱が十分に低くなる時点まで、燃焼室ヒーター期間が再び増大し得る。一次燃焼室期間中、熱遮蔽板展開４０７が実行されて、ソーラーヒーターからの熱損失を低減し得る。

本明細書中に既述される本発明の多数の変法およびその他の実施形態は、前記の説明に提示された教示の利益を有するこれらの発明が関する当該技術分野の当業者が思いつくところである。本発明の開示は、開示される具体的実施形態に限定されるものではなく、変法およびその他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれるよう意図される、と理解されるべきである。具体的用語が本明細書中で用いられているが、しかしそれらは一般的且つ説明的意味でのみ用いられ、限定のために用いられるのではない。

Claims (36)

1. 発電方法であって、以下の：
   一次燃焼室からのＣＯ_２含有流をタービンに通して、ＣＯ_２含有流を膨張させて、発電し、ＣＯ_２を含むタービン排気流を生じること；
   熱交換器中でＣＯ_２を含むタービン排気流を冷却して、冷却タービン排気流を生成すること；
   冷却タービン排気流からのＣＯ_２を加圧して、加圧ＣＯ_２含有流を生成すること；
   熱交換器中で加圧ＣＯ_２含有流を加熱すること；
   ソーラーヒーターで加圧ＣＯ_２含有流をさらに加熱すること；そして
   加圧およびソーラー加熱ＣＯ_２含有流を一次燃焼室に通すこと
   を包含する方法。
2. 前記タービンに進入する前記ＣＯ_２含有流が約１５０ｂａｒ（１５ＭＰａ）以上の圧力である請求項１記載の方法。
3. 前記タービンに進入する前記ＣＯ_２含有流が約５００℃以上の温度である請求項１記載の方法。
4. 前記タービンに進入する前記ＣＯ_２含有流の圧力対ＣＯ_２を含むタービン排気流の圧力比率が約１２以下である請求項１記載の方法。
5. ＣＯ_２含有流を加圧する前記ステップが、前記流れを複数の加圧段階に通すことを包含する請求項１記載の方法。
6. ２つの加圧段階の間に前記ＣＯ_２含有流を冷却することをさらに包含する請求項５記載の方法。
7. 前記加圧ＣＯ_２含有流の一部分が、前記加圧ステップ後およびソーラーヒーターにより加熱される前に補助熱で加熱される請求項１記載の方法。
8. 前記補助熱が空気分離プラントからの圧縮の熱を含む請求項７記載の方法。
9. 前記ソーラーヒーターからの前記加圧およびソーラー加熱ＣＯ_２含有流を、一次燃焼室に通す前に、燃焼加熱器に通すことをさらに包含する請求項１記載の方法。
10. 前記タービンに通される前記加圧およびソーラー加熱ＣＯ_２含有流が１つ以上の燃焼生成物をさらに含むよう、酸素および前記ＣＯ_２含有流の存在下で一次燃焼室中で炭素質燃料を燃焼させることをさらに包含する請求項１記載の方法。
11. 前記燃焼生成物のうちの１つ以上を前記ＣＯ_２から分離することにより、分離器中の前記熱交換器からの前記冷却タービン排気流を精製することをさらに包含する請求項１０記載の方法。
12. 前記炭素質燃料が液体または気体である請求項１０記載の方法。
13. 前記燃料が部分的に酸化された燃焼生成物の流れを含む請求項１０記載の方法。
14. 部分的酸化燃焼室中でＯ_２およびＣＯ_２の存在下で固形燃料を燃焼させることをさらに包含する請求項１３記載の方法であって、前記固形燃料が単に部分的に酸化されて、不燃性構成成分、ＣＯ_２、ならびにＨ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｈ_２ＳおよびＮＨ_３のうちの１つ以上を含む部分的酸化燃焼生成物流を生じるような比率で、前記固形燃料、Ｏ_２およびＣＯ_２が提供される方法。
15. 前記部分酸化燃焼生成物流の温度が、前記流中の前記不燃性構成成分のすべてが固体粒子の形態であるほど十分に低いような比率で、前記固形燃料、Ｏ_２およびＣＯ_２が提供される請求項１４記載の方法。
16. 部分的酸化燃焼生成物流を１つ以上のフィルターに通すことをさらに包含する請求項１４記載の方法。
17. 前記固形燃料が、石炭、褐炭、バイオマスまたは石油コークスを含む請求項１１記載の方法。
18. 前記固形燃料が微粒子形態であり、そしてＣＯ_２でスラリー化される請求項１７記載の方法。
19. 前記一次燃焼室での燃焼の熱が、前記ソーラーヒーターを通過する前記加圧ＣＯ_２含有流を加熱するためにソーラーヒーターから利用可能な熱と反比例関係であるように、一次燃焼室に提供される炭素質燃料および酸素の量が制御される請求項１０記載の方法。
20. 前記ソーラーヒーターから利用可能な熱の量が、単一太陽周期の間、１０％より大きく変化する請求項１９記載の方法。
21. 前記タービンに通される前記ＣＯ_２含有流の温度が単一太陽周期の間１０％未満変化するよう、前記燃焼室に提供される炭素質燃料および酸素の量が制御される請求項２０記載の方法。
22. ソーラーヒーターにより最初に加熱されずに、前記加圧ＣＯ_２含有流の第一部分がソーラー加熱ステップに続き、そして前記加圧ＣＯ_２含有流の第二部分が一次燃焼室に進むよう、ソーラーヒーターでの加熱前に、熱交換器を出る前記加圧ＣＯ_２含有流を分割することをさらに包含する請求項１記載の方法。
23. 前記ソーラーヒーターが前記ＣＯ_２含有流を約５００℃以上の温度に加熱する請求項１記載の方法。
24. 前記ソーラーヒーターがＣＯ_２含有流により加熱される請求項１記載の方法。
25. 前記発電が、少なくとも６０％の低位発熱量における総合効率で達成される請求項１記載の方法。
26. 以下の：
    ソーラーヒーター；
    前記ソーラーヒーターと流体連絡する一次燃焼室；
    前記一次燃焼室と流体連絡する発電用タービン；
    前記発電用タービンおよび前記ソーラーヒーターと流体連絡する熱交換器；ならびに
    前記熱交換器と流体連絡する少なくとも１つの圧縮機
    を包含する発電システム。
27. 前記ソーラーヒーターと前記一次燃焼室との間に配置され、それらと流体連絡する燃焼ヒーターをさらに含む請求項２６記載の発電システム。
28. 前記熱交換器と前記少なくとも１つの圧縮機との間に配置され、それらと流体連絡する分離器をさらに含む請求項２６記載の発電システム。
29. 空気分離プラントをさらに含む請求項２６記載のシステム。
30. 前記空気分離プラントが断熱主要圧縮機およびブースター圧縮機を含む極低温空気分離プラントである請求項２９記載のシステム。
31. 前記熱交換器が一連の２つ以上の熱交換ユニットを含む請求項２６記載のシステム。
32. 前記一次燃焼室の入口と流体連絡する出口を有する部分的酸化燃焼室をさらに含む請求項２６記載のシステム。
33. 前記部分的酸化燃焼室の前記出口と前記一次燃焼室の前記入口との間に配置され、流体連絡するフィルターをさらに含む請求項３２記載のシステム。
34. 前記熱交換器のホットエンド出口から下流に配置され、流体連絡するスプリッターをさらに含む請求項３２記載のシステムであって、前記スプリッターが、前記部分的酸化燃焼室と流体連絡する第一出口および前記ソーラーヒーターと流体連絡する第二出口を有するシステム。
35. 前記熱交換器のホットエンド出口から下流に配置され、流体連絡するスプリッターをさらに含む請求項２６記載のシステムであって、前記スプリッターが、前記一次燃焼室と流体連絡する第一出口および前記ソーラーヒーターと流体連絡する第二出口を有するシステム。
36. 前記熱交換器のホットエンド出口から下流に配置され、流体連絡するフローバルブをさらに含む請求項２６記載のシステムであって、前記フローバルブが前記一次燃焼室と流体連絡する第一出口および前記ソーラーヒーターと流体連絡する第二出口を有し、前記フローバルブが、前記ソーラーヒーターと前記第一燃焼室との間の代替流に適合されるシステム。
    

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