利用固液相變材料用于熱傳遞的集中太陽能發(fā)電方法和系統的制作方法
【專利摘要】以利用固液相變傳熱材料（HTM）為特征的集中太陽能發(fā)電系統和方法，該系統和方法包括加熱和熔化大量固體HTM的太陽能接收器。系統還包括提供在液體HTM與發(fā)電塊的工作流體之間的熱交換的、與太陽能接收器流體連通的換熱器。系統和方法還包括與太陽能接收器和換熱器流體連通的儲熱罐。儲熱罐被配置成從太陽能接收器接收液體HTM的一部分作為熱能儲存介質直接儲存。因此，該系統以使用用作傳熱介質和熱能儲存介質二者的相變HTM為特征。
【專利說明】利用固液相變材料用于熱傳遞的集中太陽能發(fā)電方法和系統
【技術領域】
[0001]本文所公開的實施方式總體上涉及集中太陽能發(fā)電(“CSP”)技術，更具體地涉及利用在熱傳遞循環(huán)期間經歷固體到液體以及液體到固體的相變的傳熱材料(“HTM”)的CSP技術。
【背景技術】
[0002]集中太陽能發(fā)電(“CSP”)系統利用太陽能來驅動用于發(fā)電的熱電循環(huán)。CSP技術包括拋物面槽式、線性菲涅爾式、中心接收器或“塔式”以及碟式系統。適用于美國西南部的能源供應商的可再生能源配額制和西班牙的可再生能源上網電價補貼政策已經推動了對CSP的極大興趣。CSP系統通常被部署為大型集中發(fā)電廠以利用規(guī)模經濟的優(yōu)勢。某些CSP系統一特別是拋物線型槽式和塔式一的關鍵優(yōu)勢為合并熱能儲存的能力。熱能儲存(TES)例如通常比電能儲存如電池更便宜且更高效。另外，TES使CSP廠能夠具有增加的容量因子并且根據需要調度電力，以覆蓋例如傍晚或其他需求高峰。
[0003]CPS廠通常利用油、熔鹽或蒸汽來將太陽能從太陽能采集場、太陽能接收器塔或其他裝置傳遞至發(fā)電塊。這些材料通常作為氣體或液體在管路或管道系統中流動，從而一般被稱為“傳熱流體”(HTF)。典型的HTF流經熱交換裝置以將水加熱成蒸汽或將替代“工作流體”加熱至接著在發(fā)電循環(huán)上使用的工作溫度，從而驅動渦輪機并進行發(fā)電。常用的HTF具有在某些情況下限制整個CSP廠性能的特性。例如，一種常用的合成油HTF具有390°C的上限溫度，熔鹽具有約565°C的上限溫度，同時直接蒸汽生成需要復雜的控制并且要考慮有限的儲熱容量。
[0004]在本領域中，采用經歷液氣相轉變的HTF的CSP廠是公知的。例如，美國專利8，181，641和美國專利4，117，682各自提出了塔式布置和呈現液氣相變的HTF。這樣的技術得益于經歷液氣相轉換的材料的高熱容量以及與接收器中的兩相流相關聯的大傳熱系數。在液氣相轉換系統中，經加熱的HTF必然處于氣相；因此，有效的熱能儲存可能是困難的。另外，電力循環(huán)效率略微地被溫度限制為效率略低的循環(huán)如過熱郎肯(Rankine)循環(huán)。
[0005]替選地，系統和接收器設計可以以固體傳熱材料(HTM)為特征。一種已知的系統以通過集中的太陽能通量進行照射以及加熱下落的固體顆粒為特征，如由Evans等人在1985年的“Numerical Modeling of a solid Particle Solar Central Receiver^SandiaReport SAND85-8249中所描述的。固體顆粒CSP設計可以產生較高的理論最高溫度，因而可以利用較高的理論電力循環(huán)效率的優(yōu)勢。不幸地，固體顆粒接收器系統的對流損耗高，這在很大程度上歸因于下落顆粒與接收器內空氣的相互作用。如果使用窗口來限制空氣與顆粒的相互作用，則會出現可能影響整個系統效率的其他設計挑戰(zhàn)，例如窗口吸收。另外，在太陽能接收器中使用窗口增加了保持可接受的窗口透明度并且避免破裂的難度。
[0006]在本領域中，使用液體鹽HTF的CSP廠也是公知的。例如，美國專利6，701，711和4，384，550公開了基于塔式的熔鹽接收器系統，并且美國專利7，051，529公開了基于碟式的系統。這些系統依賴于在通過系統的接收器、儲存器和熱交換元件時保持為液態(tài)的HTF。使用液體HTF使得能夠通過熱隔離罐進行簡單的熱能儲存，但產生了將具有固有高凝固點的HTF保持為液體形式的問題。此外，由于需要將HTF保持為僅液相，降低了液體HTF接收器內部的太陽能熱傳導效率。
[0007]美國專利4，469，088描述了將固液相變材料(“PCM”)限制在接收器內的拋物面太陽能槽。該固液PCM設計使得能夠同時加熱獨立且穩(wěn)定的熱能儲存材料和HTF。然而，因為在該設計中熱能儲存材料與HTF之間的熱交換必須在接收器中進行，所以整個系統效率由于在儲熱、釋熱和待機期間過高的總熱損耗而受限。
[0008]在美國專利4，127, 161 以及 I Steinmann 和 R.Tamme 的 “Latent heat storagefor solar steam ystem，，Journal of Solar Energyl30 (I) Engineering (2008)中還描述了采用具有固液相變的材料的CSP塔式系統和槽式系統。然而，在這些系統中，熱儲存系統在物理上遠離接收器，從而導致固有的瞬時系統性能和復雜的操作策略，以及通過使用間接換熱器的熱劣化。
[0009]本文所公開的實施方式旨在克服包括但不限于以上討論的問題的一個或更多個技術限制。

【發(fā)明內容】

[0010]本文所公開的某些實施方式包括集中太陽能發(fā)電(CSP)系統。CSP系統以使用固液相變傳熱材料(HTM)為特征。系統包括太陽能接收器，該太陽能接收器被配置成接收集中的太陽能通量以加熱大量的固體HTM并且使固體HTM中的一部分熔化成液體HTM。系統還包括與太陽能接收器流體連通的換熱器。換熱器被配置成接收液體HTM并且提供在液體HTM與發(fā)電塊的工作流體之間的熱交換。換熱器還提供液體HTM的固化。系統還包括提供經固化的HTM從換熱器至太陽能接收器的傳送的材料傳送系統。
[0011]另外，系統實施方式包括與太陽能接收器和換熱器流體連通的儲熱罐。儲熱罐被配置成接收來自太陽能接收器的液體HTM的一部分作為熱能儲存介質直接儲存。因此，系統以使用用作傳熱介質和熱能儲存介質二者的相變HTM為特征。因此，可以避免在HTM與獨立的熱能儲存介質之間的獨立熱能儲存系統和換熱器。
[0012]在一些實施方式中，系統還可以包括與固化級和太陽能接收器機械或流體連通的蓄冷罐。蓄冷罐提供對換熱器下游的固體HTM的儲存。
[0013]換熱器元件可以以用于HTM和工作流體的獨立路徑來實施，使得兩種流體流之間不出現物理接觸。替選地，換熱器可以以通過HTM與工作流體之間的直接物理接觸來促進熱交換的直接接觸裝置實施。換熱器元件可以以一個或更多個熱交換級來實施。在某些實施方式中，直接接觸換熱器可以包括造粒機。在其他實施方式中，多級換熱器可以包括至少初級和固化級。固化級可以實施為坯料擠壓或鑄造設備。
[0014]系統實施方式可以以任何合適的材料作為HTM來實施，只要HTM在合適的溫度呈現固液相變即可。例如，系統可以以鋁合金作為HTM來實施。系統實施方式也可以以使用任何類型的電力循環(huán)和任何工作流體的任何類型的電力塊來實施。例如，系統可以以超臨界CO2 (S-CO2)水或其他材料作為工作流體來實施。
[0015]在某些實施方式中，太陽能接收器元件可以包括被定向成基本上豎直的多個接收器管。材料傳送系統提供固體HTM或者固體HTM和液體HTM的混合物到所述多個接收器管中的一個或更多個接收器管的開口的傳送。另外，接收器管的一個或更多個出口提供來自接收器的經加熱的液體HTM的流出。
[0016]系統實施方式可以包括如下太陽能接收器:其具有容納處于與其他接收器管中的HTM的相不同的相的HTM的一個或更多個接收器管。例如，系統可以包括:具有基本上固相HTM的流的一個或更多個接收器管；容納混合的固體和液體HTM的流的一個或更多個接收器管；以及容納基本上液相HTM的流的一個或更多個接收器管。系統還可以包括支承太陽能接收器的塔?；谒降南到y可以包括位于塔內并且被配置成提供HTM到接收器中的裝載的固體和液體接收器料斗。
[0017]替選實施方式包括如上所述進行配置的太陽能接收器。
[0018]其他替選實施方式為發(fā)電的方法。方法實施方式包括如下步驟:提供固液相變HTM ;將固體HTM置于被配置成接收集中的太陽能通量的太陽能接收器中；以及加熱接收器中的固體HTM以使固體HTM熔化成液相。方法還包括將液體HTM的至少一部分儲存在熱能儲熱罐中。
[0019]方法還包括在液體HTM與發(fā)電塊的工作流體之間交換熱。熱交換使工作流體被加熱至工作溫度并且還使液體HTM固化。用于熱交換的液體HTM可以直接從太陽能接收器或熱能儲熱罐或者二者供給。方法還包括用經加熱的工作流體的能量來驅動發(fā)電循環(huán)。將固體HTM從換熱器傳送至太陽能接收器用于再次加熱。
[0020]方法還可以包括在熱交換之后將固體HTM儲存在蓄冷罐中。如上所述，可以在單級或多級換熱器中實現熱交換和固化步驟。換熱器元件可以以所述直接接觸換熱器或將HTM和工作流體保持為獨立的流的換熱器來實施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是集中太陽能發(fā)電(CSP)系統的示意圖。
[0022]圖2是替選CSP系統的示意圖。
[0023]圖3是以粒狀固相傳熱材料(HTM)為特征的替選CSP系統的示意圖。
[0024]圖4是以矩形坯料固相傳熱材料(HTM)為特征的替選CSP系統的示意圖。
[0025]圖5是以圓形截面坯料或桿型固相傳熱材料(HTM)為特征的替選CSP系統的示意圖。
[0026]圖6是圖4的CSP系統的固化級的示意圖。
[0027]圖7是在單級、直接接觸換熱器中的所選擇的HTM與工作流體的建模溫度分布的曲線圖。
[0028]圖8是在具有固化級的兩級換熱器中的所選擇的HTM與工作流體的建模溫度分布的曲線圖。
[0029]圖9是示出用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的流動模式的太陽能接收器配置的示意圖。
[0030]圖10是示出用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的流動模式的替選太陽能接收器配置的示意圖。
[0031]圖11是示出用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的流動模式的替選太陽能接收器配置的示意圖。
[0032]圖12是示出用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的流動模式的替選太陽能接收器配置的示意圖。
[0033]圖13是示出用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的流動模式的替選太陽能接收器配置的示意圖。
[0034]圖14是示出用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的流動模式的替選太陽能接收器配置的示意圖。
[0035]圖15是以用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的獨立接收器管為特征的太陽能腔式接收器的平面示意圖，其中管被布置成提高效率。
[0036]圖16是以用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的獨立接收器管為特征的太陽能腔式接收器的平面示意圖，其中管被布置成提高效率。
[0037]圖17是以用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的獨立接收器管為特征的太陽能腔式接收器的平面示意圖，其中管被布置成提高效率。
[0038]圖18是以用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的獨立接收器管為特征的圓形接收器的平面示意圖，其中管被布置成提高效率。
[0039]圖19是以用于固體、混合的固體和液體以及液體HTM的獨立接收器管為特征的圓形接收器的平面示意圖，其中管被布置成提高效率。
[0040]圖20是被配置成接收固體HTM的坯料的太陽能接收器的等角圖。
[0041]圖21是被配置成接收固體HTM的坯料的圓形太陽能接收器的等角圖。
[0042]圖22是被配置成接收磨碎的、切碎的或粒狀固體HTM的圓形太陽能接收器的等角圖。
[0043]圖23是在選擇的溫度下操作的所公開的系統實施方式的投影系統效率的曲線圖。
【具體實施方式】
[0044]除非另有說明，否則在說明書和權利要求中使用的表示成分、尺寸反應條件等的量的所有數值要被理解成在所有實例中用術語“約”來修飾。
[0045]在本申請和權利要求中，除非特別說明，否則單數的使用包括復數。另外，除非另有說明，否則“或”的使用意味著“和/或”。此外，術語“包括(including)”以及諸如“包括(includes)”和“包括(included)”等的其他形式的使用不受限制。同樣，除非特別說明，否則諸如“元件”或“部件”等的術語涵蓋包含一個單元的元件和部件以及包含多于一個單元的元件和部件二者。
[0046]本文所公開的實施方式包括以使用固液相變材料作為傳熱材料(HTM)為特征的CSP系統。本文使用術語“傳熱材料”代替較常見的“傳熱流體”，原因是在某些實施方式中，所公開的實施方式的HTM作為非流體的固體被移動、儲存和利用。
[0047]本文所定義的固液相變材料是在較冷的工作溫度下以固相存在而在較熱的工作溫度下熔化成液相的材料。本文所公開的各種實施方式包括其中HTM和熱能儲存(TES)材料是同一材料的CSP系統。因此，可以避免在HTM與利用獨立TES材料的獨立TES系統之間的熱交換。利用相變材料作為CSP系統的HTM和TES的一個優(yōu)點為通過充分利用適當HTM/TES材料的潛熱(latent heat)和顯熱(sensible heat)來實現高能量密度。通?？梢酝ㄟ^充分利用相變轉換的潛熱儲存而將適當HTM材料的能量儲存密度提高一倍。
[0048]適于用作HTM的相變材料包括鹽、有機聚合物和無機聚合物以及金屬。特別地，HTM可以由硝酸鹽、碳酸鹽、溴化物、氯化物、氟化物、氫氧化物或硫酸鹽、鋅、硼、鈹、鉛、鎂、銅、鋁、錫、銻、錳、鐵、鎳或硅、任意金屬的合金、塑料、蠟有機材料或者能夠以顯熱和潛熱形式儲存熱的以上材料中的任意材料的混溶或不混溶的混合物。HTM的具體選擇由具體的應用需求確定。例如，在通常以約600°C以上的高溫操作的系統中，可以將鋁合金用作HTM，而在通常以約400°C的中等溫度操作的系統中，硝酸鹽可能是最合適的HTM。在通常200°C以下的更低溫度下，水合鹽和有機蠟可能是最合適的HTM。
[0049]本文所公開的各種實施方式中利用的HTM在處于固相時可以被處理成具有許多替選的形式、形狀或結構中的一個或更多個。在所公開的實施方式中，HTM以至少部分為固相的形式被傳送至太陽能接收器或其他太陽能集中裝置。例如，HTM可以作為?；蛄畈牧媳粋魉椭撂柲芙邮掌鳌１疚闹兴褂玫摹傲！睘轭w粒狀和相對自由流動的材料。在替選實施方式中，HTM可以被處理并且作為擠壓或鑄造的固體坯料、圓柱形固體坯料或桿、切碎的固體、微?；蝾w粒固體或者其他合適形式被傳送至接收器。在某些實施方式中，可以將固體HTM與液體HTM混合，并作為漿料被傳送至太陽能接收器。
[0050]下面描述幾種具體的接收器設計。在每個實施方式中，太陽能接收器被配置成加熱HTM并使至少一些固體HTM熔化。所公開的系統還包括與太陽能接收器流體和熱連通并且直接或間接地從接收器接收液體HTM的一個或更多個換熱器。換熱器可以具有提供液體HTM與發(fā)電循環(huán)工作流體之間的熱交換所需的任何類型或任何復雜等級。換熱器還提供液體HTM的冷卻和固化連同加熱工作流體。
[0051 ] 為了技術便利，描述了并且在圖中以簡單的示意性元件示出了換熱器元件和其他子系統。商業(yè)系統的所有元件將以更復雜的裝置來實施。
[0052]所公開的系統還包括材料傳送系統，其提供固體HTM從換熱器的出口到太陽能接收器的傳送以用于再次加熱。因此，HTM中的一些或全部經歷包括如下相變的熱循環(huán):在太陽能被施加于HTM時的固體到液體的相變；以及在與工作流體交換能量時的液體到固體的相變。
[0053]圖1和圖2中示意性地示出了一個CSP系統10。系統10以使用以粒的形式儲存在蓄冷罐或器皿14中的熱循環(huán)最冷的部分處的固液相變HTM12為特征。盡管指定蓄“冷”罐14，但重要的是要注意術語“冷”是相對的。通常，蓄冷罐將容置處于僅略在HTM熔點以下的溫度的固相HTM。因此，蓄冷罐14必須隔熱并且由在期望的溫度處適當耐用的材料制成。
[0054]用材料傳送系統18將粒狀HTM12移動至太陽能接收器16的入口。在太陽能接收器16中，集中的太陽光例如從定日鏡20的場反射的太陽光加熱HTM12，從而引起HTM中的至少一些的固體到液體相變并且可能使液態(tài)HTM另外加熱。下面詳細描述若干具體的接收器實施方式。盡管本文所描述的且在圖中示出的實施方式主要涉及通過定日鏡20的場而被照射的塔式安裝接收器16，但本文所公開的系統和方法可以以替選CSP廠配置來實施。例如，本文所公開的系統和方法也可以以拋物面槽式、線性菲涅爾式或碟式CSP系統來實施。[0055]在太陽能接收器16的下游，可以將液體HTM12暫時地儲存在儲熱罐22中。儲熱罐22為系統10的初級TES，從而用于平衡系統瞬態(tài)響應并且將操作延伸至太陽能通量有限或不可用的時段，如傍晚或夜間。儲熱罐必須由如下材料制成:該材料提供隔熱并且在接收器出口處的液體HTM預期的最高工作溫度下穩(wěn)定，如內襯有礬土磚的鋼。如果將鋁合金用作HTM，則針對鋁冶煉操作所設計的儲存罐可以改用作儲熱罐22。盡管在圖中未示出，但應當理解，在商業(yè)實施中將包括合適的管道、管路和閥以使工廠操作者能夠將熱HTM導向儲熱罐22或從儲熱罐22導出，以在高太陽能通量時段期間完成TES儲熱或根據需要完成TES釋熱。由于熱傳遞和熱能儲存用相同的PCM/HTM來實現，所以不存在由于在獨立的熱傳遞與熱能儲存流體之間放置換熱器而引起的熱劣化。
[0056]經加熱的液體HTM12從太陽能接收器16的出口或從儲熱罐22的出口或者從太陽能接收器16的出口和儲熱罐22的出口二者中來獲取，并且流經換熱器裝置24。在可以包括若干子元件或級的換熱器24中，在HTM與發(fā)電塊26的工作流體之間進行熱交換。本文所公開的實施方式不限于任何特定類型的換熱器24、發(fā)電塊26或任何特定的工作流體。用某些類型的HTM可實現的高工作溫度利于與較高溫度的熱力學發(fā)電循環(huán)例如超臨界C02(S-C02)布雷登循環(huán)一起使用。所有類型的電力塊26將包括通過經加熱的工作流體進行操作以發(fā)電的一個或更多個渦輪機28。電力塊26通常將包括如下電力塊元件中的一些或全部:渦輪機28、壓縮機、冷凝器、膨脹級、同流換熱器、換熱器以及相關聯的管路、管道、閥和控制器。
[0057]換熱器24可以包括獨立的HTM和工作流體導管，使得在HTM和工作流體流沒有物理混合的情況下在HTM與工作流體之間交換熱。替選地，可以利用其中液體HTM直接與電力循環(huán)中的工作流體相互作用的直接接觸換熱器。在直接接觸換熱器中，HTM與工作流體之間的直接物理接觸在液體HTM被固化時加熱工作流體。一旦形成固體HTM，可以使用連續(xù)排渣處理將固體HTM與工作流體分離。然后可以使用固體傳送系統18將固體HTM移動至蓄冷容器14和/或接收器16。
[0058]因此，換熱器24相對于整個系統10提供兩種重要功能。第一，換熱器24提供待從HTM傳遞至工作流體以使得能夠發(fā)電的熱能。同時，換熱器提供充分冷卻HTM以使HTM固化的工作流體。在熱傳遞期間出現的液體到固體相轉換充分利用HTM的潛熱以向工作流體傳遞比在工作流體熱交換處理期間沒有出現相變的系統中可能傳遞的能量多的能量。
[0059]如上所述，換熱器元件可以包括多級。例如，如圖3至圖6所示，換熱器可以包括在HTM與工作流體之間交換顯熱的同時HTM保持為液體的高溫級29。換熱器24還可以包括在與工作流體的熱交換使HTM固化的同時預加熱工作流體的固化級30。因此，對于HTM，固化級30在高溫級29的下游；而對于工作流體，固化級30在高溫級29的上游。
[0060]可以選擇并實施換熱器24的包括任何高溫級29或固化級30的性質，以控制系統效率和固相下HTM所期望的形式兩者。例如，在將固態(tài)HTM處理成粒的CSP廠的一個實施方式(圖1至圖2)中，換熱器24可以實施為單級造粒機。在單級實施方式中，液體HTM如熔融鋁直接與工作流體如S-C02混合。由于兩種流體相互作用，所以HTM冷卻而工作流體獲得熱。最初(對于給定量的HTM)，顯熱從液體HTM傳遞至較冷的工作流體。這在圖7的曲線圖中示為溫度分布段702。圖7示出了當能量從HTM傳遞至工作流體時、相變材料HTM和工作流體的相應溫度分布。當HTM冷卻至凝固溫度時，HTM經歷作為平坦溫度分布段704示出的等溫凝固過程。然后HTM進一步冷卻為固體(溫度分布段706)。由于在此示例中工作流體不改變相，因此在工作流體溫度分布708中不存在等溫部分。
[0061]在圖7模型的左側所示的初始HTM溫度與最終工作流體溫度之間的大的差距是不期望的，原因是如果工作流體溫度較接近初始最熱的HTM溫度，則系統將會以較高效率工作。換熱器元件24可以被配置成通過最小化該溫度差距來增加整個系統的效率。
[0062]例如，圖8的曲線圖示出了用于在圖7中進行建模的相同材料的但具有兩級熱交換器配置的溫度分布。在圖8曲線圖的左側，溫度曲線段802和804示出了在非接觸脫過熱換熱器中如圖3至圖6的高溫級29所預期的HTM溫度和工作流體溫度。在該級中，工作流體的流率可以被設置成使各個材料的溫度分布平行。圖8曲線圖的右側示出了固化級30的HTM溫度分布:在整個固化處理中為平坦段806，以及在固體冷卻時溫度進一步降低(溫度分布段808)。因此，兩級或多級熱交換器配置使得能夠優(yōu)化電力循環(huán)效率。
[0063]如上所述，熱交換設計可以被選擇為提供具有特定形式或大小的固體HTM。例如，如圖4至圖6所示，可以將HTM制成經擠壓或鑄造的坯料32，將經擠壓或鑄造的坯料32儲存在冷儲存器14中并傳送至接收器16。坯料、桿、鑄錠或其他較大的固體形狀特別適合其中HTM為金屬或金屬合金的實施方案。例如，鋁合金或鋁/硅共晶PCM合金可以被設計為具有適于在高溫CSP設施中用作HTM的熔點，并且可以被方便地形成為用于在固相下自動傳送的坯料。坯料32可以具有基本上矩形、圓形或其他期望的截面，并且可以具有為方便處理而需要的任何大小或長度。
[0064]在HTM被形成為坯料32或類似形狀的系統10中，換熱器24將包括可以以任何類型的坯料或桿鑄造或擠壓機構來實施的固化級30。固化級30通過工作流體來冷卻，從而引起固化并且額外預加熱工作流體。在圖6中示出了代表性坯料鑄造固化級30，其中所指示的溫度表示與鋁/硅共晶PCM/HTM和S-C02工作流體相關聯的工作溫度。
[0065]在所有實施方式中，由一級、兩級或多級換熱器24生成的固化HTM可以通過固體傳送系統18返回至接收器16或蓄冷容器14，從而建立連續(xù)循環(huán)。如圖3至圖5所示，固體傳送系統18可以以機械輸送機或其他機械升降系統來實施。替選地，固體輸送18可以以螺旋或螺桿提升機、氣動提升機或適用于輸送固態(tài)物質的其他公知系統或機構來實施。
[0066]圖3至圖5的CSP系統10被示出為具有基本上完全以固相裝載到接收器16中的HTM。替選地，在裝載到接收器16中之前，固體HTM可以用太陽能進行預加熱或者與液體HTM混合。具體地，使用粒狀、顆粒、切碎或微粒形式的HTM提供了將HTM作為固體或漿料裝載到接收器16中的機會。在任何實施方式中，最初以無論哪種形式提供的HTM可能經歷在加熱期間的一段時間內HTM的固體部分與液體部分一起流動的逐漸相變。
[0067]在為了與粒、顆粒、切碎或其他較小形狀的固體HTF —起使用而優(yōu)化的所選實施方式中，系統10可以包括如后面更詳細討論的泵34、固體接收器料斗36、液體接收器料斗38、混合器或混合點40、固體注入設備以及位于塔42中或非常接近塔42從而靠近接收器16的其他元件。固體接收器料斗36可以是與蓄冷容器14相同或獨立的容器或器皿。混合點40可以是專用混合裝置，或是可以發(fā)生混合的在兩種材料流之間的簡單接合點。
[0068]在圖9至19的實施方式中，固態(tài)粒或其他相對小形狀的HTM穿過一個或更多個混合點和接收器管，同時接收器管由集中的太陽能通量照射。取決于接收器管的布置，某些管可以容納固體、液體或漿料形式的HTM。填充固體/漿料/液體的接收器管的各種布置在圖9至圖19示出并在下面進行描述。在任何系統實現中采用的【具體實施方式】將取決于可用的太陽能資源和相關聯的電力塊的大小。
[0069]在圖9至圖19中，將具有液相流的管標記為接收器管44。將容納各種容積比的固液漿料的流體的管表示為接收器管46。將容納通過重力、機械輸送或者通過強制氣體截流而移動的基本上固相的HTM流的管標記為接收器管48。
[0070]圖9示出了將來自固化級30或蓄冷罐14的固體HTM從固體料斗36饋送至液體接收器料斗38的接收器流動配置。在通過液體接收器管44泵浦之前，固體HTM在液體料斗中熔化。在離開接收器16時，液體HTM流分為通向液體接收器料斗38的旁路線路50和通向儲熱罐22或換熱器24 (圖9中未示出)的主線路52。
[0071]圖10示出如下接收器流動配置:其中來自固體接收器料斗36的固體HTM與來自液體接收器料斗38的液體HTM在混合點40處混合以形成被引入接收器16的漿料。漿料流經其中通過太陽能通量來熔化漿料的接收器管46，隨后流經液體接收器管44。HTM液體然后離開接收器16，其中流量分為通向液體接收器料斗38的旁路線路50和通向儲熱罐22或換熱器24 (圖10中未示出)的主線路52。漿料流趨于增加接收器內部的熱傳遞，使得能夠減小接收器大小和表面溫度，并且降低輻照損耗。
[0072]圖11示出了具有如下接收器流動配置的另一實施方式:在該接收器流動配置中，固體HTM從固體接收器料斗36直接流動或移動至固體接收器管48。一旦已經通過太陽能通量來預加熱固態(tài)HTM，就通過泵34來注入液體HTM并且在混合點40處形成漿料。該漿料流經漿料接收器管46，隨后在另外的太陽能加熱之后流經液體接收器管44。液體HTM然后離開接收器16，其中流量分為如上所述的旁路線路50和主返回線路52。
[0073]圖12示出了具有如下接收器流動配置的另一實施方式:在該接收器流動配置中，固體從固體接收器料斗36直接流入固體接收器管48直到形成漿料為止，在此時HTM流經漿料接收器管46，隨后隨著HTM被加熱而流經液體接收器管44。在離開接收器16之后，HTM直接移動至主線路52以用于下游儲存或熱傳遞。
[0074]圖13示出如下替選接收器流動配置:其中固體HTM從固體接收器料斗36流出或移出，并且被允許在接收器管前面且在半透明下落護罩54中下落。固體HTF因而在其落入第二固體接收器料斗56時被預加熱，然后依次移動通過基本上如上所述的固體接收器管48、漿料接收器管46和液體接收器管44。在離開接收器16時，完全加熱的液體HTM直接流至主線路52以用于下游儲存或熱傳遞。
[0075]圖14示出如下接收器流動配置:其中固體接收器料斗36中的固體HTM與不能混溶的二級流體57熱相互作用。此二級流體流經二級流體接收器管58并且被加熱至HTM熔點以下的溫度。經加熱的二級流體流回其通過直接接觸與固體粒相互作用的固體儲存料斗36。經預加熱的固體粒然后與熱的液體HTM在混合點40處混合，并且作為漿料流經漿料接收器管46，隨后流經液體接收器管44。完全加熱的HTM離開接收器16并如上所述進行流動。
[0076]如上所述，系統性能可能受HTM以各種相通過接收器管的管理式流動影響并被部分地控制。另外，如圖15至圖22所示，通過優(yōu)化太陽能接收器的物理配置可以提高系統性能和效率。優(yōu)化的接收器配置將取決于任意給定電廠的最終大小和太陽能資源。
[0077]如圖15所示，腔式接收器16可以以承載固相HTM的如下接收器管48來實施:該接收器管48緊靠外腔壁的內側定位，使得管48不被集中的通量照射而由來自其他管的再輻照能量60加熱。填充漿料的接收器管46被置于最高濃度太陽能通量的區(qū)域中，而填充液體的管44被置于較低通量濃度的區(qū)域中。以此方式，太陽能主要用于完成處于熔化或凝固溫度的漿料HTM的相變，這提高了整個系統的效率。
[0078]圖16示出了如下腔式接收器16:其中固體流接收器管48沿外腔壁排列，使得它們不被集中的太陽能通量照射而僅被來自其他接收器管的再輻照能量60照射。填充漿料的管46被定位在腔體容積內，使得它們經受高度集中的通量并且部分地遮擋沿腔體的后壁排列的填充流體的接收器管44。
[0079]圖17示出了如下腔式接收器16:其中固體流接收器管48沿外腔壁排列，使得它們不被集中的太陽能通量照射而僅被來自其他接收器管的再輻照能量60照射。固體顆粒的下落半透明護罩54跨腔體的位于高通量位置處的入口下落。填充漿料的管46位于腔體容積內部，使得它們經受高集度中的通量并且部分地遮擋沿腔體的后壁排列的液體流接收器管44。
[0080]圖18示出如下外部接收器16:其中填充漿料的接收器管46布置在接收器16的具有較高通量濃度的部分上，而填充液體HTM的管44布置在接收器的具有較低通量濃度的部分上。
[0081]圖19示出其中填充固體HTM的接收器管48布置在接收器16的由反射表面62共享的部分上的外部接收器16。接收器管48從而僅由再輻照和反射的能量60照射。填充漿料的管46布置在太陽能通量具有最高濃度的區(qū)域中。填充液體的接收器管44布置在太陽能通量較不集中的區(qū)域中。
[0082]如上所述，圖15至圖19所示的接收器布局中的每一個被配置成將接收器管或HTM護罩定位成通過以下方式來最小化熱損耗:捕獲并利用再輻照和反射的能量以及將在HTM的凝固/熔化點處的表面呈現給最高太陽能通量。
[0083]通常，接收器將太陽能輻照轉換成熱的效率由其工作溫度、各種傳熱系數和在照射下的面積來確定。通過使用PCM作為HTM，可以將具有優(yōu)異熱性質的流體如金屬以及有利的流態(tài)引入到接收器中。另外，具有較高熱導率和密度的材料將趨于增加接收器的耐疲勞容限并且使接收器可以吸收的臨界通量更高，從而減小整個接收器的大小。此外，如上所述，漿料流趨于增加接收器內部的熱傳遞，使得能夠減小接收器的大小和表面溫度，并且減小通常與較高接收器工作溫度相關聯的輻照損耗。最后，由于傳熱和儲存用同一 HTM完成，所以不存在由于在獨立的傳熱和熱能儲存流體之間放置換熱器而產生的熱劣化。
[0084]如上所述，某些實施方式使用如下固相HTM:其在熱交換之后且在儲存或重新插入到太陽能接收器16之前被鑄造、擠壓或以其他方式形成為相對大的形狀。如圖20至圖22所示，可以優(yōu)化接收器的物理布局以處理作為坯料、桿或其他大固體傳送至接收器的HTM。
[0085]特別地，圖20示出了例如可以在腔型接收器16中的最高太陽能通量的區(qū)域處列陣的接收器管64的平行陣列。接收器16與被配置成將坯料32豎直裝載到每個接收器管64中的材料傳送系統18相關聯。坯料32可以連續(xù)地或根據需要進行裝載。集中在接收器管64上的太陽能通量加熱固體坯料HTM，引起從固體到液體的相變轉換。液體HTM然后通過出口管66流出接收器16，以用于下游儲存、熱傳遞和能量生成。接收器管64的豎直布置提供坯料到接收器的頂部的方便的重力供給，同時液體HTM從底部流出。[0086]圖21示出了同樣被配置成在頂部接收固體HTM坯料32的替選接收器16。圖19的接收器包括接收器管64的圓形陣列。分發(fā)臂65圍繞接收器旋轉以將坯料裝載到接收器管中。在已裝載的管64內部，固體HTM被加熱、熔化并且隨后從接收器的底部流出，以用于下游熱能儲存、熱傳遞和發(fā)電目的。
[0087]圖22示出如下替選接收器16:其被具體配置成接收通過具有被配置為螺旋螺桿升降機的材料傳送系統18的接收器本體而提升的并且被分發(fā)至接收器管64的顆粒狀的、切碎的或粒狀HTM。HTM在接收器管64中熔化并通過出口 66流出接收器16，以用于下游熱能儲存、熱傳遞和發(fā)電的目的。
[0088]以上所公開的各種實施方式全部以利用固液相變材料作為組合的HTM和TES材料為特征。如上所述，某些金屬合金特別適用于作為HTM與所公開的系統一起使用。金屬合金的熔點和凝固點可以被選擇為使得HTM的熱溫度接近1000°C或在其以上。例如，如圖23所示，可以選擇具有760°C、860°C、960 V、1060°C、1160°C、1260 V或1360 V的熱溫度的金屬合金相變材料HTM。選擇或制造提供760V以上的工作熱溫度的HTM使得能夠使用更高效的發(fā)電循環(huán)。因此，如圖23中的圖形化表示，所投影的利用CSP可實現的整個電力循環(huán)效率顯著提高。
[0089]本公開內容的各種實施方式還可以包括在權利要求中記載的各種元件的置換，就如同每個從屬權利要求是合并有前述從屬權利要求中的每一項和獨立權利要求的限定的多項從屬權利要求一樣。這樣的置換明確落入本公開內容的范圍內。
[0090]盡管已經參照許多實施方式具體示出和描述了本發(fā)明，但本領域技術人員應當理解，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下對本文所公開的實施方式做出形式和細節(jié)的改變，并且本文所公開的各種實施方式并非旨在用作對權利要求的范圍的限制。本文所引用的所有參考文獻均通過引用而將其全部內容并入本文。
【權利要求】
1.一種集中太陽能發(fā)電系統，包括: 固液相變傳熱材料； 太陽能接收器，所述太陽能接收器被配置成接收集中的太陽能通量以加熱大量固體傳熱材料并且使所述固體傳熱材料中的至少一部分熔化成液體傳熱材料； 換熱器，所述換熱器與所述太陽能接收器流體連通，所述換熱器接收液體傳熱材料，并且提供在所述液體傳熱材料與電力循環(huán)的工作流體之間的熱交換，所述換熱器還提供所述液體傳熱材料的固化； 材料傳送系統，所述材料傳送系統提供固體傳熱材料從所述換熱器到所述太陽能接收器的傳送；以及 儲熱罐，所述儲熱罐與所述太陽能接收器和所述換熱器流體連通，所述儲熱罐使用所述液體傳熱材料作為熱能儲存介質來提供熱能儲存。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括蓄冷罐，所述蓄冷罐與固化級和所述太陽能接收器機械或流體連通，所述蓄冷罐提供固體傳熱材料的儲存。
3.根據權利要求1所述的系統，其中，所述換熱器包括提供所述傳熱材料與所述工作流體之間的物理接觸的直接接觸換熱器。
4.根據權利要求3所述的系統，其中，所述換熱器包括造粒機。
5.根據權利要求4所述的系統，其中，輸入至所述太陽能接收器的所述固體傳熱材料包括粒狀傳熱材料與液體傳熱材料的漿料。
6.根據權利要求1所述的系統，其中，所述換熱器包括多級換熱器，所述多級換熱器至少包括在所述液體傳熱材料與所述工 作流體之間進行熱交換的初級，以及在所述傳熱材料與所述工作流體之間的熱交換使所述傳熱材料固化的固化級。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，所述固化級包括坯料制造裝置。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，輸入至所述太陽能接收器的所述固體傳熱材料包括固體坯料。
9.根據權利要求1所述的系統,其中,所述傳熱材料包含鋁合金。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，所述工作流體包含S-C02。
11.根據權利要求1所述的系統，其中，所述材料傳送系統包括機械輸送機。
12.根據權利要求1所述的系統，其中，所述太陽能接收器還包括: 容納基本上固相的傳熱材料的流的一個或更多個接收器管； 容納混合的固相和液相傳熱材料的流的一個或更多個接收器管；以及 容納基本上液相的傳熱材料的流的一個或更多個接收器管。
13.根據權利要求12所述的系統，還包括: 支承所述太陽能接收器的塔； 固體接收器料斗，所述固體接收器料斗位于所述塔內并且被配置成提供固體傳熱材料到所述接收器中的裝載；以及 液體接收器料斗，所述液體接收器料斗位于所述塔內并且被配置成提供液體傳熱材料到所述接收器中的裝載。
14.根據權利要求1所述的系統，其中，所述太陽能接收器還包括: 被定向成基本上豎直的多個接收器管，所述多個接收器管具有與提供待裝載至所述多個接收器管中的一個或更多個接收器管中的固體傳熱材料的所述材料傳送系統相關聯的開口 ；以及 所述接收管的出口，所述接收器管的出口提供來自所述接收器的液體傳熱材料的流出。
15.根據權利要求14所述的系統，其中，所述多個接收器管被布置成基本上圓形的陣列。
16.根據權利要求1所述的系統，還包括與所述換熱器相關聯的電力塊，所述電力塊包括所述工作流體和多個發(fā)電部件。
17.根據權利要求16所述的系統，其中，所述電力循環(huán)包括S-C02布雷登熱力學發(fā)電循環(huán)。
18.—種太陽能接收器，包括: 被定向成基本上豎直的多個接收器管； 材料傳送系統，所述材料傳送系統提供固體傳熱材料到所述多個接收器管中的一個或更多個接收器管中的開口的傳送；以及 接收器管的出口，所述接收器管的出口提供來自所述接收器的液體傳熱材料的流出。
19.根據權利要求18所述的太陽能接收器，還包括: 容納基本上固相的傳熱材料的流的一個或更多個接收器管； 容納混合的固相和液相傳熱材料的流的一個或更多個接收器管；以及 容納基本上液相的傳熱材料的流的一個或更多個接收器管。
20.根據權利要求19所述的太陽能接收器，其中，所述固相傳熱材料的流和所述液相傳熱材料的流在所述的容納混合的固相和液相傳熱材料的流的一個或更多個接收器管的外部混合在一起。
21.根據權利要求19所述的太陽能接收器，還包括: 支承所述太陽能接收器的塔； 固體接收器料斗，所述固體接收器料斗位于所述塔內并且被配置成提供固體傳熱材料到所述接收器中的裝載；以及 液體接收器料斗，所述液體接收器料斗位于所述塔內并且被配置成提供液體傳熱材料到所述接收器中的裝載。
22.根據權利要求21所述的太陽能接收器，其中，所述固相傳熱材料在引入到所述的容納基本上固相的傳熱材料的流的一個或更多個接收器管中之前被預加熱。
23.根據權利要求22所述的太陽能接收器，其中，所述固相傳熱材料通過直接太陽能通量進行預加熱。
24.根據權利要求22所述的太陽能接收器，其中，所述固相傳熱材料通過與二級傳熱流體的接觸進行預加熱。
25.根據權利要求19所述的太陽能接收器，其中，所述的容納基本上固相的傳熱材料的流的一個或更多個接收器管被定位成遠離直接太陽能通量，并且還被定位成通過來自其他接收器管的間接輻射被進行加熱。
26.根據權利要求25所述的太陽能接收器，其中，所述的容納混合的固相和液相傳熱材料的流的一個或更多個接收器管被定位成比所述的容納基本上液相的傳熱材料的一個或更多個接收器管接收更高水平的太陽能通量。
27.根據權利要求18所述的太陽能接收器，其中，所述多個接收器管被布置成基本上圓形的陣列。
28.根據權利要求27所述的太陽能接收器，其中，所述材料傳送系統包括旋轉分發(fā)臂，所述旋轉分發(fā)臂被配置成圍繞所述接收器旋轉以將坯料裝載到所述圓形陣列的接收器管中。
29.—種發(fā)電方法,包括: 提供固液相變傳熱材料； 將固體傳熱材料置于被配置成接收集中的太陽能通量的太陽能接收器中； 加熱在所述太陽能接收器中的所述固體傳熱材料的至少一部分以使所述固體傳熱材料熔化成液相； 將所述液體傳熱材料的至少一部分儲存在熱能儲熱罐中； 在所述流體傳熱材料與發(fā)電塊的工作流體之間交換熱以將所述工作流體加熱至工作溫度并且使所述液體傳熱材料固化； 用所加熱的工作流體的能量來驅動發(fā)電循環(huán)；以及 將固體傳熱材料傳送至所述太陽能接收器。
30.根據權利要求29所述的方法，還包括將固體傳熱材料儲存在與所述太陽能接收器機械或者流體連通的蓄冷罐中。
31.根據權利要求29所述的方法，其中，所述固化步驟包括在直接接觸換熱器中使液體傳熱材料成為粒狀。
32.根據權利要求29所述的方法，其中，所述的輸入至所述太陽能接收器的固體傳熱材料包括固體傳熱材料和液體傳熱材料的漿料。
33.根據權利要求29所述的方法，還包括從液體傳熱材料來制造固體傳熱材料的坯料。
34.根據權利要求29所述的方法，還包括用機械輸送機將固體傳熱材料傳送至所述太陽能接收器。
【文檔編號】F24J2/24GK103717892SQ201280033144
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2012年7月3日 優(yōu)先權日:2011年7月5日
【發(fā)明者】拉塞爾·穆倫, 盧克·埃里克森 申請人:阿文戈亞太陽能有限責任公司