專利名稱：用于太陽能蓄熱器的傳熱流體的僅在蒸汽狀態(tài)下的循環(huán)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能電站，并且更具體地涉及用水作為傳熱流體與顯熱蓄熱介質(zhì)相結(jié)合的太陽能電站。
背景技術(shù)：
已經(jīng)提出了這樣的太陽能電站來存儲(chǔ)被捕獲的太陽能，S卩，該太陽能電站使用顯熱蓄熱介質(zhì)，典型的是熔鹽。接著，顯熱蓄熱介質(zhì)能用于產(chǎn)生蒸汽，以驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。因?yàn)槭褂糜陲@熱蓄能介質(zhì)的蓄熱介質(zhì)的量最小化，所以優(yōu)點(diǎn)是在較高的溫度下存儲(chǔ)能量，并允許從較高溫度下的蓄熱介質(zhì)回收能量，從而導(dǎo)致發(fā)電循環(huán)中較高的換能效率。借助傳熱流體，能量從太陽能集熱器傳遞至顯熱蓄能介質(zhì)。已經(jīng)提出用合成油作為傳熱流體，但這些合成油通常只穩(wěn)定到約400°C，這限制了顯熱蓄熱介質(zhì)的最大溫度。通常地，油被用作槽式太陽能設(shè)備的傳熱介質(zhì)，槽式太陽能設(shè)備包括具有熔鹽蓄熱物的設(shè)備。 雖然槽式太陽能設(shè)備受限于溫度上限，但它們能以可接受的效率工作，因?yàn)樗鼈冊(cè)趩为?dú)的軸線上追蹤太陽，因而與雙軸線追蹤式的太陽能集熱器(例如，盤式集熱器)相比具有較低的集中率。在槽式太陽能設(shè)備中使用油的確限定了溫度上限，以其他方式它們可從例如 450°C至約400°C而進(jìn)行操作。太陽能盤式部件和塔式部件的技術(shù)具有達(dá)到較高溫度的能力，超過600°C，這具有如前所述的優(yōu)點(diǎn)，即，使蓄熱介質(zhì)的量最小化并有益于在發(fā)電站循環(huán)中(獲得)較高的換能效率。遺憾的是，沒有在這樣的高溫下以及在環(huán)境溫度下都保持為液態(tài)的流體(除了鈉鉀合金(NaK)，鈉鉀合金被認(rèn)為對(duì)于太陽能管道網(wǎng)來說太危險(xiǎn)，因?yàn)槠渑c水的反應(yīng)性很高，并且當(dāng)與水或空氣接觸時(shí)可發(fā)生爆炸。通常，太陽能塔式部件技術(shù)(其具有固定的太陽能接收器)在焦點(diǎn)直接加熱融鹽，該焦點(diǎn)布置成非常接近存儲(chǔ)容器。鹽(其既用作蓄能介質(zhì)也用作傳熱流體)的網(wǎng)狀化 (reticulation of salt)是相對(duì)簡(jiǎn)單的，并且重力回流確保鹽在夜間或云存在較長時(shí)間的期間從管道排空，因此不能在管道或接收器中凝固。對(duì)于太陽能盤式部件技術(shù)而言，直接加熱的方案是有問題的，因?yàn)槊總€(gè)盤式部件具有自身的焦點(diǎn)，并且盤式部件可在非常大的區(qū)域被分布。排空管道可能不實(shí)際或很難實(shí)現(xiàn)。用作蓄熱物的鹽混合物在環(huán)境溫度下是固體， 因此，用鹽作為傳熱流體和蓄熱介質(zhì)的分布太陽能部件的區(qū)域需要在全部時(shí)間(日間和夜間)被加熱。加熱系統(tǒng)的任何故障都將導(dǎo)致管道網(wǎng)中的鹽凝固。水能被用作為傳熱流體。當(dāng)使用水作為高溫范圍內(nèi)的傳熱流體時(shí)，在實(shí)際工作溫度下通常存在相變。因?yàn)樗焕鋮s并發(fā)生相變從過熱蒸汽成為液態(tài)水，所以在將能量從蒸汽傳遞至單獨(dú)的顯熱蓄熱介質(zhì)時(shí)存在已知的“夾點(diǎn)”問題。即使能獲得高溫蒸汽，但“夾點(diǎn)” 問題大大限制了蓄熱的上限溫度。對(duì)于將熱從水(無論是蒸汽還是液體)傳遞至蓄熱介質(zhì)來說，相對(duì)在沿?zé)峤粨Q器的所有位置處的蓄熱介質(zhì)，水必須處于較高溫度。當(dāng)將蒸汽冷凝至液體時(shí)，在100%蒸汽和100%液體之間溫度保持不變(在恒壓下)。這引起在100%汽相處的夾點(diǎn)，該夾點(diǎn)限制了在蓄熱介質(zhì)中能獲得的最大溫度。在圖1中的溫度-焓圖中示出了夾點(diǎn)問題，圖1示出了在165巴的水2從300°C至600°C的焓，和被水加熱了的顯熱蓄熱介質(zhì)4的焓。盡管在該實(shí)例中，輸入蒸汽的溫度高，但蓄熱介質(zhì)的最大溫度受“夾點(diǎn)”限制至約380°C。已經(jīng)提出了將蒸汽流分為三部分純液體、兩相-液體和蒸汽，以及純蒸汽。在該方法中，需要三種分開的蓄熱介質(zhì)。存在用于液相和汽相的顯熱蓄熱物，以及用于兩相區(qū)域的相變材料(例如，合適的鹽)。雖然這避免了夾點(diǎn)問題，但將導(dǎo)致相對(duì)復(fù)雜的蓄能系統(tǒng)。由于高溫能力和高的光效率相結(jié)合，使用盤式部件的太陽能發(fā)電廠以是其他技術(shù) (塔式技術(shù)或槽式技術(shù))幾乎兩倍的效率將陽光轉(zhuǎn)變?yōu)殡?。但是，?dāng)與熔鹽蓄熱物結(jié)合時(shí)， 利用盤式太陽能部件的發(fā)電在使用傳統(tǒng)方式的傳熱流體時(shí)由于前述原因就遇到了問題。技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明提供了這樣的能量源(例如太陽能電站)，即，該能量源在將能量傳遞至顯熱蓄熱物時(shí)使只是汽態(tài)的傳熱流體(優(yōu)選水)循環(huán)。循環(huán)完全是汽(過熱)態(tài)的水避免了夾點(diǎn)問題，并避免了與高溫穩(wěn)定性的其他液體類型及在環(huán)境溫度下為固相相關(guān)的問題，如之前所述的。在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，提供了用于蓄熱的顯熱蓄熱物。顯熱蓄能物優(yōu)選利用單獨(dú)的顯熱蓄熱介質(zhì)，通常是一種或多種化合物的混合物。但是，使用兩種或更多種不同的介質(zhì)處于本發(fā)明的范圍內(nèi)，每種介質(zhì)包括分開部分的顯熱蓄熱物并且通過分開的熱交換子系統(tǒng)介質(zhì)可與傳熱流體進(jìn)行熱交換。例如，“高”溫顯熱蓄熱介質(zhì)和“低”溫顯熱蓄熱介質(zhì)可用于擴(kuò)大傳熱流體在進(jìn)入熱交換系統(tǒng)和離開熱交換系統(tǒng)之間的溫度范圍。不同的介質(zhì)可能是不同的化合物、化合物的不同混合物或不同化合物的混合物。如在說明書和權(quán)利要求中所使用的，“顯熱蓄熱物”以非限制性的方式被解釋并可包括兩個(gè)或更多個(gè)不同的顯熱蓄熱介質(zhì)。當(dāng)將熱從發(fā)電站的太陽能集熱器傳遞至顯熱蓄熱物時(shí)，處于高溫的過熱蒸汽進(jìn)入熱交換系統(tǒng)，低溫蒸汽(其高于或處于飽和曲線，或低于但靠近飽和曲線)排出熱交換機(jī)構(gòu)，以用于返回太陽能集熱器。本發(fā)明還提供太陽能電站，該太陽能電站具有顯熱蓄熱物；至少一個(gè)太陽能集熱器；傳熱流體，其在環(huán)境溫度下是液體；熱交換器，其用于將熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物；所述太陽能電站具有第一操作模式，在第一操作模式中，熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物，并且基本處于蒸汽狀態(tài)的傳熱流體返回所述至少一個(gè)太陽能集熱器。優(yōu)選地，發(fā)電站包括這樣的裝置，當(dāng)傳熱流體在第一位置處的溫度和壓力低于第一組閾值時(shí)，該裝置限制、防止或停止從傳熱流體至顯熱蓄熱物的熱交換至顯熱蓄能物。第一位置優(yōu)選為所述至少一個(gè)太陽能集熱器的下游。通過使得一個(gè)或多個(gè)傳熱流體和顯熱蓄熱介質(zhì)(當(dāng)其是液體時(shí))停止流動(dòng)經(jīng)過熱交換系統(tǒng)，可限制、防止或停止熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物。當(dāng)一個(gè)或多個(gè)顯熱蓄熱介質(zhì)被泵送經(jīng)過熱交換系統(tǒng)時(shí)，這可通過停止泵送液體的顯熱蓄熱介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。傳熱流體可繼續(xù)經(jīng)過熱交換器或可使其繞過熱交換器。優(yōu)選地，傳熱流體在剛剛與顯熱蓄熱物熱交換之后仍是過熱的。但傳熱流體可被冷卻至飽和曲線或剛剛低于但靠近飽和曲線。當(dāng)發(fā)生熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物時(shí)， 優(yōu)選傳熱流體保持在整個(gè)循環(huán)中基本處于蒸汽狀態(tài)。更優(yōu)選地，傳熱流體在離開熱交換器和返回所述至少一個(gè)太陽能集熱器之間保持過熱。當(dāng)在第一操作模式中的時(shí)候，一個(gè)或多個(gè)壓縮機(jī)優(yōu)選地循環(huán)蒸汽。太陽能電站優(yōu)選具有加熱器裝置，當(dāng)傳熱流體低于第一組閾值時(shí)，加熱器裝置選擇性地加熱傳熱流體。加熱器裝置可以是將傳熱流體加熱成高于第一組閾值的一個(gè)或多個(gè)太陽能集熱器。在加熱階段期間，優(yōu)選不發(fā)生熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物。優(yōu)選地，防止熱交換的裝置包括當(dāng)傳熱流體低于第一組閾值時(shí)將傳熱流體返回至至少一個(gè)太陽能集熱器的入口的循環(huán)裝置。優(yōu)選地，發(fā)電站包括泵子系統(tǒng)，該泵子系統(tǒng)可操作成將蒸汽或液體的傳熱流體泵送經(jīng)過所述至少一個(gè)太陽能集熱器。優(yōu)選地，泵子系統(tǒng)包括用于將液相和汽相混合物分離的分離裝置，通常指的是與水一起使用時(shí)的蒸汽分離器。如在說明書中所使用的，術(shù)語“蒸汽分離器”不被認(rèn)為是要求使用水作為傳熱流體。優(yōu)選地，泵子系統(tǒng)可操作成當(dāng)溫度和壓力條件高于第二組閾值時(shí)將汽態(tài)傳熱流體泵送經(jīng)過至少一個(gè)太陽能集熱器，并且當(dāng)溫度和壓力條件低于第二組閾值時(shí)泵送液態(tài)傳熱流體。在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，水被用作傳熱流體，并且泵子系統(tǒng)包括蒸汽分離器、蒸汽壓縮機(jī)和液泵。高于第一組閾值時(shí)，借助于壓縮機(jī)，過熱蒸汽從太陽能集熱器循環(huán)至顯熱蓄熱介質(zhì)。在第一組閾值和第二組閾值之間，傳熱流體被加熱，優(yōu)選借助壓縮機(jī)使蒸汽循環(huán)經(jīng)過至少一個(gè)太陽能集熱器并返回蒸汽分離器，但不發(fā)生熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物。 在優(yōu)選的形式中，這可通過只停止將顯熱蓄熱介質(zhì)泵送經(jīng)過熱交換系統(tǒng)而實(shí)現(xiàn)，并且傳熱流體從所述至少一個(gè)太陽能集熱器經(jīng)過熱交換系統(tǒng)，然后(優(yōu)選通過蒸汽分離器)返回太陽能集熱器。該系統(tǒng)可使傳熱流體繞過熱交換系統(tǒng)。低于第二組閾值時(shí)，傳熱流體被加熱，優(yōu)選借助液泵將液體的水泵送至至少一個(gè)太陽能集熱器并返回蒸汽分離器，但不發(fā)生熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物。在優(yōu)選的方式中，這通過只停止將顯熱蓄熱物泵送經(jīng)過熱交換器而實(shí)現(xiàn)，并且傳熱流體從所述至少一個(gè)太陽能集熱器經(jīng)過熱交換器系統(tǒng)，然后返回蒸汽分離器。該系統(tǒng)可使傳熱流體繞過熱交換器系統(tǒng)。為了防止兩相流體經(jīng)過集熱器，優(yōu)選在任何時(shí)候只使用壓縮機(jī)和泵中的一個(gè)，并且優(yōu)選不同時(shí)使用二者。該系統(tǒng)可配置成在正常操作期間繞過蒸汽分離器。在使傳熱流體繞過熱交換器系統(tǒng)的系統(tǒng)中，蒸汽分離器優(yōu)選具有第一入口和第二入口，第一入口接納被分離的傳熱流體，第二入口接納通過將熱傳遞至顯熱蓄熱物而已經(jīng)被冷卻的傳熱流體。在沒有繞過模式的系統(tǒng)中，單獨(dú)的入口就足夠了。所述至少一個(gè)太陽能集熱器可包括下一級(jí)別的成組(sub set)的多個(gè)太陽能集熱
ο當(dāng)傳熱流體低于第一組閾值和第二組閾值時(shí)，傳熱流體不需要被循環(huán)經(jīng)過所有的太陽能集熱器。本發(fā)明還提供了一種操作太陽能電站的方法，所述太陽能電站具有顯熱蓄熱物， 所述顯熱蓄熱物由傳熱流體選擇性地加熱，傳熱流體由至少一個(gè)太陽能集熱器加熱，所述方法包括確定傳熱流體在第一位置的溫度和壓力，并且如果傳熱流體的溫度和壓力(a)高于第一組閾值時(shí)，使傳熱流體加熱顯熱蓄熱物，或者(b)低于第一組閾值時(shí)，傳熱流體被加熱，但不將熱傳遞至顯熱蓄熱物。優(yōu)選地，第一位置是所述至少一個(gè)太陽能集熱器的下游，即，加熱之后。優(yōu)選地，第一組閾值被選擇成傳熱流體在將熱傳遞至顯熱蓄熱物之前和之后是蒸汽。步驟(a)可包括提供或打開在太陽能集熱器的入口和熱交換器系統(tǒng)之間的流路。優(yōu)選地，步驟(b)包括通過使傳熱流體經(jīng)過至少一個(gè)太陽能集熱器來加熱傳熱流體。當(dāng)使用液體顯熱蓄熱介質(zhì)(其被泵送經(jīng)過熱交換器系統(tǒng))時(shí)，步驟(b)可包括停止將液體顯熱蓄熱介質(zhì)泵送經(jīng)過熱交換器系統(tǒng)。傳熱流體可繼續(xù)經(jīng)過熱交換器系統(tǒng)。步驟(b)可包括在太陽能集熱器和熱交換器系統(tǒng)之間去除或關(guān)閉流路。步驟(b) 還可包括提供或打開太陽能集熱器和泵送子系統(tǒng)之間的流路，泵送子系統(tǒng)將傳熱流體泵送至所述至少一個(gè)太陽能集熱器，以繞過熱交換器系統(tǒng)。當(dāng)?shù)陀诘谝婚撝禃r(shí)，該方法還包括確定第二位置處的傳熱流體的溫度和壓力，并且確定(c)是否傳熱流體的溫度和壓力高于第二組閾值，從而將基本只是蒸汽形式的傳熱流體供應(yīng)至所述至少一個(gè)太陽能集熱器，和(d)是否傳熱流體的溫度和壓力低于第二組閾值，但高于第三組閾值，從而將基本只是液體形式的傳熱流體供應(yīng)至所述至少一個(gè)太陽能集熱器。優(yōu)選地，只是基本蒸汽形式或只是基本液體形式的傳熱流體被供應(yīng)至所述至少一個(gè)太陽能集熱器。因此，優(yōu)選地，步驟(d)導(dǎo)致供應(yīng)只是基本液體的傳熱流體。第一位置和第二位置可以是相同的或不同的。該方法還包括如果傳熱流體的溫度和壓力低于第三閾值，就不將傳熱流體供應(yīng)至所述至少一個(gè)太陽能集熱器?？捎闷渌麉?shù)來確定操作模式，例如，一天內(nèi)的時(shí)間和一個(gè)或多個(gè)位置處的太陽
輻射強(qiáng)度。該方法優(yōu)選包括提供蒸汽分離器，并且步驟(C)包括從蒸汽分離器吸取蒸汽，并且步驟(d)包括從蒸汽分離器吸取液體。正循環(huán)著的傳熱流體的量?jī)?yōu)選被調(diào)整成將傳熱流體保持為高于一定的閾值，這取決于可獲得的輸入能量(即，太陽輻射)的量。除非上下文中以其他方式清楚地要求，在整個(gè)說明書和權(quán)利要求中，措辭“包括”、 “包含”等被解釋成包括在內(nèi)的意思，而不是相反的排除或不包含的意思；也就是說，其意思是“包括，但不限于”。


圖1是當(dāng)將過熱蒸汽冷卻成液態(tài)水時(shí)水和顯熱蓄熱介質(zhì)的溫度-焓圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例的太陽能電站的傳熱流體和顯熱蓄熱介質(zhì)的溫度-焓圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)例的太陽能電站的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)例的太陽能電站的示意圖。
具體實(shí)施例方式參考圖2和3，示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)例的太陽能電站10。太陽能系統(tǒng)10具有示意性地用太陽能集熱器12示出的一個(gè)或多個(gè)太陽能集熱器、各太陽能集熱器組或太陽能區(qū)。雖然示出的太陽能集熱器12是拋物面盤式集熱器，但本發(fā)明不限于這種集熱器。 吸收系統(tǒng)可以利用槽式集熱器、可以是塔式集熱器區(qū)或任何其他類型的吸收系統(tǒng)，在塔式集熱器區(qū)中，多個(gè)鏡部件將陽光聚焦在公共采集點(diǎn)上。太陽能吸收系統(tǒng)的精確的特性不是本發(fā)明的重點(diǎn)。太陽能電站利用水(H2O)作為傳熱流體，以將由集熱器12從陽光吸收的熱傳遞至顯熱蓄熱部件，通常用附圖標(biāo)記13表示。顯熱蓄熱部件13利用顯熱蓄熱介質(zhì)14。顯熱蓄熱介質(zhì)14存儲(chǔ)熱并用于按需供應(yīng)熱。在本發(fā)明的優(yōu)選方式中，顯熱蓄熱部件13具有至少一對(duì)罐部件16、18，以用于存儲(chǔ)顯熱蓄熱介質(zhì)14，顯熱蓄熱介質(zhì)14優(yōu)選在工作溫度范圍是流體(優(yōu)選是液體)。罐部件 16、18是“熱”罐和“冷”罐，但這是相對(duì)而言的?？墒褂镁哂袦剀S層的單獨(dú)的罐部件?？墒褂霉腆w材料作為蓄熱介質(zhì)，但這不是優(yōu)選的。該系統(tǒng)只使用一種類型的蓄熱介質(zhì)，無需使用兩個(gè)或更多個(gè)不同種類型的蓄熱介質(zhì)(例如，潛熱蓄熱介質(zhì)和顯熱蓄熱介質(zhì))，但不排除使用不同種類型的顯熱蓄熱介質(zhì)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，在蓄熱部件13中存儲(chǔ)的熱用于產(chǎn)生發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的蒸汽。因此，系統(tǒng)10包括一個(gè)或多個(gè)傳統(tǒng)的成套電站設(shè)備(power block) 6，每個(gè)成套電站設(shè)備包括至少一個(gè)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。通過與顯熱蓄熱介質(zhì)14交換熱來產(chǎn)生用于成套電站設(shè)備6 的蒸汽。熱的流體從“熱”罐16經(jīng)過熱交換系統(tǒng)8被泵送至“冷”罐18，在熱交換系統(tǒng)8， 水被加熱成蒸汽。熱交換系統(tǒng)8可包括一個(gè)或多個(gè)分開的熱交換器。該系統(tǒng)不限于發(fā)電機(jī)并可用于需要熱源的其他設(shè)備。鹽的混合物優(yōu)選用于化合物形式的顯熱蓄能物，因?yàn)樗鼈冊(cè)诟哂诃h(huán)境工作溫度的范圍內(nèi)是流體，這允許將熱良好地傳遞至水，并且在合適的溫度和壓力下產(chǎn)生蒸汽以獲得高的熱能向電能的換能效率。此外，鹽的混合物是致密的(dense)，具有低的化學(xué)反應(yīng)性，并且具有低的蒸汽壓力和相對(duì)低的成本。用于蓄能物的最普通的鹽的混合物是重量為60%的硝酸鈉和重量為40%的硝酸鉀的硝酸鹽混合物。該鹽能在大約^KTC和620°C的溫度范圍內(nèi)使用。其他的鹽也能用于蓄能物，例如亞硝酸鹽和碳酸鹽，并且具有不同的操作溫度上限和操作溫度下限。在正常操作期間，在提供高于集熱器12的輸出閾值的情況下，形式為過熱蒸汽的水離開集熱器12并進(jìn)入在22處的熱交換系統(tǒng)20。熱交換系統(tǒng)20可包括一個(gè)或多個(gè)分開的熱交換器。借助于泵60蓄熱介質(zhì)14從冷罐18經(jīng)過熱交換系統(tǒng)20被泵送至熱罐16，熱被傳遞至蓄熱介質(zhì)14。水優(yōu)選保持為經(jīng)過熱交換系統(tǒng)20的“干”蒸汽，并在M處以高于系統(tǒng)中的壓力下的飽和溫度的溫度被排出。例如，在165巴的絕對(duì)壓力下，飽和溫度為大約 350°C。通過使用僅蒸汽狀態(tài)，以約600°C進(jìn)入熱交換器的過熱蒸汽可被冷卻至約370°C (提供了一定的變化余地)，同時(shí)將顯熱蓄熱介質(zhì)從約290°C加熱至約590°C，使熱罐和冷罐之間的溫度差為約300°C。相反，參考圖1，使用了處于165巴的水，該水被加熱至600°C然后被冷凝成液態(tài)水，這允許單獨(dú)的顯熱蓄熱物被加熱至大約380°C。在這種系統(tǒng)中，蓄熱介質(zhì)的較低溫度是約290°C，使熱罐和冷罐之間的溫度差小于100°C。雖然將傳熱流體保持在過熱狀態(tài)的系統(tǒng)可能處于恒穩(wěn)態(tài)或接近恒穩(wěn)態(tài)的狀況，但太陽能是間斷能量源，設(shè)計(jì)成使用過熱蒸汽的系統(tǒng)也必須設(shè)計(jì)成能處理不能產(chǎn)生過熱蒸汽的情況。例如，在早上，系統(tǒng)可能處于環(huán)境溫度。類似地，由于云造成的短暫太陽能狀態(tài)將表示為過熱蒸汽不是總能被滿足的“設(shè)計(jì)”狀態(tài)。在具有用于泵送過熱蒸汽的簡(jiǎn)單的壓縮機(jī)的系統(tǒng)中，如果水不能被保持為高于飽和溫度，那么蒸汽開始冷凝。然后，壓力降低。將濕的蒸汽供應(yīng)至壓縮機(jī)能引起損壞。此外， 在低溫下，當(dāng)系統(tǒng)中的基本所有的水是液態(tài)時(shí)，蒸汽壓力非常低。此外，在中間的“溫暖”狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)處于水的飽和溫度時(shí)，在管道中能存在兩相的狀態(tài)。在壓縮機(jī)中或在使傳熱流體以網(wǎng)狀形式(reticulating)到達(dá)集熱器的過程中都不希望兩相狀態(tài)。最好是在管道中具有蒸汽流或液體流，但不是既有蒸汽又有液體。本發(fā)明提供“加熱”模式，優(yōu)選兩級(jí)加熱模式，也就是說，即使設(shè)計(jì)狀態(tài)的溫度(和壓力)不能實(shí)現(xiàn)時(shí)，加熱模式也能被啟動(dòng)。在“加熱”模式中，由太陽能集熱器吸收的熱不被傳遞至顯熱蓄熱介質(zhì)，而是被用于保持并優(yōu)選地增加傳熱流體的焓。這是通過提供泵送子系統(tǒng)30實(shí)現(xiàn)的，泵送子系統(tǒng)30優(yōu)選將水或蒸汽(根據(jù)情況所需)泵送經(jīng)過太陽能集熱器，而不是將吸收的熱傳遞至顯熱蓄熱介質(zhì)。在圖3的實(shí)例中，這通過只關(guān)閉泵60，以便經(jīng)過熱交換系統(tǒng)20的傳熱流體不能將任何的大量的熱傳遞至顯熱蓄熱介質(zhì)而實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該理解，保持在熱交換系統(tǒng)20中的任何顯熱蓄熱介質(zhì)可被加熱，但是這不重要。當(dāng)然，使用回流熱交換系統(tǒng)20，將不會(huì)有顯熱蓄熱介質(zhì)保留在熱交換系統(tǒng)20中。傳熱流體經(jīng)過熱交換系統(tǒng)20并通過入口 32進(jìn)入泵送子系統(tǒng) 30。泵送子系統(tǒng)30包括蒸汽分離器50、壓縮機(jī)52和液泵M。在蒸汽分離器中，濕的蒸汽被分離成液相和汽相。蒸汽分離器50包括用于液態(tài)水的空間56和蒸汽空間57。在正常操作期間，來自熱交換器20的傳熱流體通過入口 32進(jìn)入熱交換器20。如果蒸汽是濕的，那么任何液體都被分離并收集在空間56中，并且基本上只是蒸汽通過蒸汽出口 58被輸送至壓縮機(jī)52。如果蒸汽在該位置還是過熱的，那么蒸汽分離器50可借助管路(未示出)被繞過。實(shí)際上，在正常操作期間，進(jìn)入蒸汽分離器50的蒸汽仍將是過熱的。 系統(tǒng)包括冷凝容器62，冷凝容器62用于調(diào)節(jié)正循環(huán)著的液體的量，如隨后所討論的。這允許傳熱流體在低于不同能量輸入(太陽能)級(jí)別的范圍以下高于飽和溫度的情況下輸送經(jīng)過蒸汽分離器。
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假設(shè)由于太陽或薄云的位置，太陽能的強(qiáng)度降低一些。離開全部或一些集熱器12 的蒸汽的溫度將下降。通過改變流經(jīng)太陽能集熱器的量，能對(duì)此進(jìn)行彌補(bǔ)。類似地，由于經(jīng)過熱交換系統(tǒng)20而被冷卻的蒸汽的量能通過改變經(jīng)過熱交換系統(tǒng)20的蓄熱介質(zhì)的流量而被改變。但是，在一定的閾值，離開太陽能集熱器的蒸汽的溫度和壓力的組合可導(dǎo)致熱交換器20中的水冷凝。由于傳熱流體離開熱交換系統(tǒng)20，熱交換流體處于飽和曲線上或剛剛低于飽和曲線(即，部分地冷凝)是屬于本發(fā)明的范圍的。這是因?yàn)樵谡２僮髦校M(jìn)入熱交換系統(tǒng)的冷的顯熱蓄熱介質(zhì)的溫度基本低于飽和曲線的溫度，這種情況下還能發(fā)生熱交換而沒有夾點(diǎn)問題產(chǎn)生。但是，當(dāng)溫度和壓力的組合低于第一閾值時(shí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到第一加熱模式。在第一加熱模式中，泵60被關(guān)閉并且蒸汽進(jìn)入蒸汽分離器入口 34、基本被冷卻。在較低溫度和壓力情況下，一些蒸汽可冷凝，以到達(dá)平衡。蒸汽中的任何液體都被分離并積聚在儲(chǔ)存器56中。壓縮機(jī)52繼續(xù)運(yùn)行，液泵M沒有啟動(dòng)。蒸汽繼續(xù)循環(huán)經(jīng)過太陽能集熱器 12。假設(shè)云已經(jīng)經(jīng)過集熱器區(qū)的只一部分。集熱器仍將吸收一些能量，并且蒸汽的溫度和壓力將保持足夠高，以允許蒸汽連續(xù)循環(huán)。一旦云經(jīng)過，被吸收的能量就增加。離開集熱器12的蒸汽的溫度增加。由于系統(tǒng)中的能量增加，儲(chǔ)存器中的更多的液體將轉(zhuǎn)換成蒸汽。蒸汽繼續(xù)經(jīng)過熱交換器系統(tǒng)20、未被冷卻，直到離開太陽能集熱器12的溫度和壓力達(dá)到閾值，此時(shí)泵60重新啟動(dòng)，“正?！辈僮髦匦麻_始。如果離開太陽能集熱器12的溫度和壓力低于第二閾值，系統(tǒng)以第二加熱方式運(yùn)行。該模式通常是在早上，此時(shí)有一些太陽能被吸收，但不足以允許顯熱蓄熱介質(zhì)被加熱， 或提供蒸汽至太陽能集熱器。但是，如果陰云覆蓋集熱器區(qū)并且溫度下降成低于第二閾值， 那么該模式可在日間發(fā)生。在第二加熱模式中，泵60關(guān)閉，所以沒有熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱介質(zhì)。壓縮機(jī)50優(yōu)選被關(guān)閉，液泵M操作成將液態(tài)水從蒸汽分離器經(jīng)過出口 61 泵送至太陽能集熱器12?？赡苡羞@樣的情況，即，在兩個(gè)模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，壓縮機(jī)50和泵M工作(持續(xù)短的時(shí)間段)。冷凝容器62用于調(diào)節(jié)正在循環(huán)的傳熱流體的量，以將系統(tǒng)保持在操作參數(shù)內(nèi)并能進(jìn)行初始操作。由于能量輸入改變，可通過增加或去除來自蒸汽分離器50的流體來調(diào)整正循環(huán)著的液體的量。在開始啟動(dòng)時(shí)，需要較大量的流體來填充管路的容積、到達(dá)一個(gè)或多個(gè)盤式部件， 從而能泵送流體。額外的液體可從冷凝容器被泵送。由于能量增加，更多的傳熱流體蒸發(fā)，所以系統(tǒng)中的壓力增加。一旦系統(tǒng)中的壓力到達(dá)閾值，蒸汽就從蒸汽分離器50流到冷凝容器62，在此被冷凝，因而減少了循環(huán)的量。這一過程持續(xù)直到所有的傳熱流體成為蒸汽。傳熱流體的去除可發(fā)生在所有液體成為蒸汽之后，由于系統(tǒng)中的能量增加而限制了操作條件，例如操作壓力。合適的閥(未示出)允許冷凝容器62與蒸汽分離器隔離。當(dāng)保持泵子系統(tǒng)30運(yùn)行而沒有益處時(shí)，例如在夜間或低太陽輻射強(qiáng)度時(shí)，泵子系統(tǒng)30被完全關(guān)閉。由于進(jìn)行泵送需要能量，在低太陽輻射強(qiáng)度時(shí)可能發(fā)生凈能量損失。該系統(tǒng)可測(cè)量太陽輻射強(qiáng)度和其他參數(shù)，并據(jù)此來確定是否進(jìn)行泵送。液態(tài)水被泵送至集熱器12并由集熱器加熱。水返回蒸汽分離器并加熱在儲(chǔ)存器 56中的液態(tài)水。由于液體的溫度升高，所以蒸汽的壓力增加。液態(tài)水繼續(xù)被循環(huán)。在早上由于太陽升起，太陽能強(qiáng)度增加。系統(tǒng)的溫度和壓力增加直到分離器中的蒸汽壓力高于閾值。在該閾值，系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至第一加熱模式，壓縮機(jī)52啟動(dòng)，泵M停止。泵60保持關(guān)閉。然后蒸汽被循環(huán)，直到達(dá)到“設(shè)計(jì)”溫度，以允許進(jìn)行上述的操作，在上述操作中從過熱蒸汽至顯熱蓄熱介質(zhì)的熱傳遞通過打開泵60而重新開始。因此，系統(tǒng)使用了單獨(dú)的顯熱蓄熱混合物而相對(duì)簡(jiǎn)易，同時(shí)提供了通過使用多種蓄熱混合物才能提供的高蓄熱溫度。雖然，當(dāng)處于加熱模式中時(shí)，系統(tǒng)可使傳熱流體經(jīng)過太陽能集熱器組中所有的太陽能集熱器12，但這不是重要的?？蓛?yōu)選這樣，即，在任一種加熱模式中時(shí)，系統(tǒng)只使傳熱流體經(jīng)過少量的集熱器。圖4示意性地示出本發(fā)明的第二實(shí)例。類似地，使用了與第一實(shí)例中相同數(shù)量的部件。該實(shí)例以三種不同的模式如第一實(shí)例那樣操作，但在加熱模式期間繞過熱交換系統(tǒng)以防止熱從第一傳輸流體傳遞至顯熱蓄熱物。泵送子系統(tǒng)30具有兩個(gè)入口 32和34，以及單獨(dú)的出口 36。入口 32連接至熱交換器20的出口，而出口 34通過三通閥38 (或閥的其他合適的組合)連接至太陽能集熱器的出口 /熱交換器的入口管40。出口 36通向太陽能集熱器的入口管42。在正常模式中，閥38允許過熱蒸汽從太陽能集熱器到達(dá)熱交換系統(tǒng)20，而通向泵送子系統(tǒng)30的入口 34封閉。在加熱模式中，閥將排出太陽能集熱器12的傳熱流體轉(zhuǎn)移至泵送子系統(tǒng)30的入口 34，因此傳熱流體沒有流經(jīng)熱交換系統(tǒng)20。與前述閾值相同的閾值被用于確定液泵M 或壓縮機(jī)52是否運(yùn)行。閥38的打開和關(guān)閉對(duì)應(yīng)于泵60的打開和關(guān)閉。很明顯，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說可對(duì)這里描述的實(shí)施例進(jìn)行很多顯然的修改和變更，而不背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)或范圍。
權(quán)利要求
1.一種太陽能電站，其具有顯熱蓄熱介質(zhì)；至少一個(gè)太陽能集熱器；傳熱流體，其在環(huán)境溫度下是液體；熱交換器，其用于將熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱介質(zhì)；所述太陽能電站具有第一操作模式，在所述第一操作模式中，熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱介質(zhì)，并且基本處于蒸汽狀態(tài)的傳熱流體返回所述至少一個(gè)太陽能集熱器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能電站，其中，在所述第一操作模式中，在剛剛與顯熱蓄熱介質(zhì)熱交換之后，傳熱流體的溫度高于或處于傳熱流體的飽和曲線，或低于但靠近傳熱流體的飽和曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的太陽能電站，其中，在所述第一操作模式中，在剛剛與顯熱蓄熱介質(zhì)熱交換之后，傳熱流體是過熱的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，其中，在所述第一操作模式中，傳熱流體在離開所述熱交換器和返回所述至少一個(gè)太陽能集熱器之間保持過熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，所述太陽能電站包括第一泵子系統(tǒng)，所述第一泵子系統(tǒng)能操作成將傳熱流體以蒸汽形式或液態(tài)形式供應(yīng)至所述至少一個(gè)太陽能集熱器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽能電站，其中，所述泵送子系統(tǒng)包括液泵和蒸汽壓縮機(jī)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的太陽能電站，其中，所述泵子系統(tǒng)包括蒸汽分離ο
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，當(dāng)在第一位置的傳熱流體的溫度和壓力低于第一組閾值時(shí)，所述太陽能電站具有所述第二操作模式，在所述第二操作模式中，熱被供應(yīng)至傳熱流體，但不發(fā)生從傳熱流體至顯熱蓄熱介質(zhì)的熱交換。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽能電站，其中，顯熱蓄熱介質(zhì)包括至少一個(gè)流體的顯熱蓄熱介質(zhì)，并且在所述第二操作模式中，顯熱蓄熱介質(zhì)不流經(jīng)所述熱交換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的太陽能電站，所述太陽能電站包括泵，以將顯熱蓄熱介質(zhì)泵送經(jīng)過所述熱交換器，并且在所述第二模式中，所述泵被關(guān)閉。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，其中，在所述第二模式中，傳熱流體連續(xù)經(jīng)過所述熱交換器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，其中，在所述第二模式中，傳熱流體不流經(jīng)所述熱交換器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12中所述的太陽能電站，其中，在所述第二模式中，傳熱流體繞過所述熱交換器。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，所述太陽能電站包括熱源，在所述第二模式中，所述熱源選擇性地加熱傳熱流體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的太陽能電站，其中，所述熱源包括所述至少一個(gè)太陽能集熱器中的至少一個(gè)太陽能集熱器。
16.根據(jù)權(quán)利要求8至15中任一項(xiàng)權(quán)利要求從屬于權(quán)利要求5時(shí)所述的太陽能電站， 其中，在所述第二模式中，當(dāng)傳熱流體的溫度和壓力高于第二組閾值時(shí)，所述第一泵子系統(tǒng)能操作成將蒸汽態(tài)的傳熱流體供應(yīng)至至少一個(gè)太陽能集熱器，并且當(dāng)傳熱流體的溫度和壓力低于所述第二組閾值時(shí)，供應(yīng)液態(tài)傳熱流體。
17.根據(jù)權(quán)利要求8至16中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，所述太陽能電站包括多個(gè)太陽能集熱器，并且在所述第二模式中，傳熱流體被循環(huán)經(jīng)過少于全部太陽能集熱器的太陽能集熱器。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，所述太陽能電站包括 閉合回路，所述閉合回路使所述至少一個(gè)太陽能集熱器和所述熱交換器相互連接； 儲(chǔ)存器，所述儲(chǔ)存器用于存儲(chǔ)從所述閉合回路分離的傳熱流體，和；傳輸機(jī)構(gòu)，所述傳輸機(jī)構(gòu)用于選擇性地在所述閉合回路和所述儲(chǔ)存器之間輸送傳熱流體；由此，在所述閉合回路中的傳熱流體的量是可調(diào)節(jié)的。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的太陽能電站，其中，所述儲(chǔ)存器存儲(chǔ)液體形式的傳熱流體。
20.根據(jù)權(quán)利要求18或19從屬于權(quán)利要求7時(shí)所述的太陽能電站，其中，所述傳輸機(jī)構(gòu)能操作成將蒸汽形式的傳熱流體從所述蒸汽分離器輸送至所述儲(chǔ)存器，并將液體形式的傳熱流體從所述儲(chǔ)存器輸送至所述蒸汽分離器。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至20中任一項(xiàng)所述的太陽能電站，其中，所述至少一個(gè)太陽能集熱器包括多個(gè)盤式太陽能集熱器。
22.—種操作太陽能電站的方法，所述太陽能電站具有顯熱蓄熱物，所述顯熱蓄熱物由傳熱流體選擇性地加熱，傳熱流體在環(huán)境溫度下是液體并由至少一個(gè)太陽能集熱器加熱， 所述方法包括確定傳熱流體在第一位置的溫度和壓力，并且如果傳熱流體的溫度和壓力(a)高于第一組閾值時(shí)，以第一模式操作所述太陽能電站，在所述第一模式中，熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物；或(b)低于第一組閾值時(shí)，以第二模式操作所述太陽能電站，在所述第二模式中，傳熱流體被加熱，但不將熱傳遞至顯熱蓄熱物。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中所述第一組閾值被選擇成基本處于蒸汽狀態(tài)的傳熱流體返回所述至少一個(gè)太陽能集熱器。
24.如權(quán)利要求22或權(quán)利要求23所述的太陽能電站，其中，所述第一組閾值被選擇成，使得在剛剛與顯熱蓄熱介質(zhì)熱交換之后，傳熱流體的溫度高于或處于傳熱流體的飽和曲線，或低于但靠近傳熱流體的飽和曲線。
25.如權(quán)利要求22至M中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一組閾值被選擇成，使得在將熱傳遞至所述顯熱蓄熱物后，傳熱流體是過熱的蒸汽。
26.根據(jù)權(quán)利要求22至25中任一項(xiàng)所述的方法，其中，當(dāng)以所述第二模式操作時(shí)，確定(c)是否傳熱流體的溫度和壓力高于第二組閾值，并且如果是這樣，將基本只是蒸汽形式的傳熱流體供應(yīng)至所述至少一個(gè)太陽能集熱器；和(d)是否傳熱流體的溫度和壓力低于第二組閾值，但高于第三組閾值，并且如果是這樣，將基本只是液體形式的傳熱流體供應(yīng)至所述至少一個(gè)太陽能集熱器。
27.如權(quán)利要求22至沈中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述太陽能電站包括熱交換器，所述熱交換器用于將熱從傳熱流體傳遞至顯熱蓄熱物，并且所述第一模式包括使傳熱流體經(jīng)過所述熱交換器。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述第一模式包括使流體的顯熱蓄熱介質(zhì)經(jīng)過所述熱交換器。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或權(quán)利要求觀所述的方法，其中，所述第二模式包括使流體的顯熱蓄熱介質(zhì)停止經(jīng)過所述熱交換器。
30.根據(jù)權(quán)利要求27至四中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二模式包括使傳熱流體經(jīng)過所述熱交換器。
31.根據(jù)權(quán)利要求27至四中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二模式包括使傳熱流體不經(jīng)過所述熱交換器。
32.根據(jù)權(quán)利要求22至31中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第二模式包括通過使傳熱流體經(jīng)過至少一個(gè)太陽能集熱器來加熱傳熱流體。
33.根據(jù)權(quán)利要求22至32中任一項(xiàng)所述的方法，其中，利用輸入傳熱流體的能量來調(diào)整正循環(huán)著的傳熱流體的量。
34.根據(jù)權(quán)利要求27至33中的任一項(xiàng)權(quán)利要求從屬于權(quán)利要求26時(shí)所述的方法，所述方法包括提供蒸汽分離器，和步驟(c)包括從所述蒸汽分離器抽取蒸汽，和步驟(d)包括從所述蒸汽分離器抽取液體。
35.一種太陽能電站，所述太陽能電站為基本上如參考附圖被描述的太陽能電站。
36.一種操作太陽能電站的方法，所述太陽能電站為基本上如參考附圖被描述的太陽能電站。
全文摘要
只是蒸汽狀態(tài)的傳熱流體循環(huán)經(jīng)過太陽能集熱器(12)和顯熱蓄熱介質(zhì)(14)，以將熱從太陽能集熱器(12)傳遞至顯熱蓄熱介質(zhì)(14)。傳熱流體在環(huán)境溫度下是液體，但是當(dāng)處于操作中時(shí)，傳熱流體基本以蒸汽狀態(tài)貫穿整個(gè)循環(huán)。
文檔編號(hào)F24J2/42GK102483263SQ201080038863
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月30日
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