耦合的化學(xué)-熱太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本文中公開(kāi)的實(shí)施方案包括聚光太陽(yáng)能發(fā)電（"CSP"）（也被稱(chēng)為太陽(yáng)能熱發(fā)電） 的領(lǐng)域的系統(tǒng)和方法。所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法一般地利用兩個(gè)并行耦合的能量路徑，一個(gè)熱 路徑和一個(gè)化學(xué)路徑，以將太陽(yáng)能高效地轉(zhuǎn)換成電能。具體地，所公開(kāi)的實(shí)施方案包括與獨(dú) 立的化學(xué)儲(chǔ)能材料連通的太陽(yáng)能接收器和在獨(dú)立的路徑中流動(dòng)或傳輸?shù)膫鳠崃黧w。化學(xué)儲(chǔ) 能材料在接收器處經(jīng)受低溫光致還原。另外，傳熱流體（"HTF"）在太陽(yáng)能接收器處被加熱 至工作溫度。化學(xué)儲(chǔ)能材料和HTF被用于驅(qū)動(dòng)在相對(duì)高的溫度下工作的動(dòng)力循環(huán)，這是因 為在HTF冷卻的同時(shí)化學(xué)儲(chǔ)能材料氧化放熱，或者HTF冷卻與化學(xué)儲(chǔ)能材料氧化放熱順序 進(jìn)行。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚光太陽(yáng)能技術(shù)一般可以分成用于發(fā)電的熱系統(tǒng)和用于燃料生產(chǎn)和化學(xué)處理的 化學(xué)系統(tǒng)。在利用不同類(lèi)型的反射器配置例如槽、盤(pán)和定日鏡的技術(shù)領(lǐng)域中，熱CSP設(shè)備的 變型是已知的。已知的CSP系統(tǒng)利用許多可替代的傳熱流體例如油、熔融鹽和蒸氣，并且可 以被用于驅(qū)動(dòng)各種動(dòng)力循環(huán)，例如蒸氣蘭金（Rankine)循環(huán)、超臨界蒸氣蘭金循環(huán)、以及超 臨界二氧化碳布雷頓（Brayton)循環(huán)。
[0003] 現(xiàn)有工藝水平的高溫CSP塔以例如在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2008/0302314中示出的直接 蒸氣生成塔和例如在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2008/0000231中示出的熔融硝酸鹽塔作為代表。這些 類(lèi)型的塔通常在高達(dá)約600°C的溫度下工作。用高于600°C的工作溫度可以實(shí)現(xiàn)較大的發(fā) 電效率。利用常規(guī)的CSP策略難以實(shí)現(xiàn)超過(guò)600°C的工作溫度。
[0004] 已經(jīng)以若干形式提出了用于驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的聚光太陽(yáng)能塔。一個(gè)已知的想法利用 聚集的太陽(yáng)光生成熱以分解生物質(zhì)，例如在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2010/0249468中描述的。另一已 知的方法特征在于利用聚集的太陽(yáng)光使水通過(guò)與催化劑的相互作用而經(jīng)歷光分解，例如在 美國(guó)專(zhuān)利4, 045, 315中描述的。其他的技術(shù)利用聚集的太陽(yáng)光和還原/氧化循環(huán)以由水產(chǎn) 生氫氣或由二氧化碳產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w，例如在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2009/0107044中描述的。前 述化學(xué)方法不是特別適合利用已知的基于動(dòng)力循環(huán)的動(dòng)力渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電。
[0005] 使聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備的效率最大化很重要，這是因?yàn)閷?duì)于相同的凈 能量產(chǎn)量其通過(guò)需要較小的太陽(yáng)能場(chǎng)和接收器而使整個(gè)系統(tǒng)的資金成本減少。在聚光太陽(yáng) 能發(fā)電塔中，總的太陽(yáng)能至電能的效率為太陽(yáng)能場(chǎng)效率、接收器（太陽(yáng)能至熱能）效率、存 儲(chǔ)效率、以及動(dòng)力循環(huán)（熱能至電能）效率的乘積。熱能至電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在可比較的溫度 下與化石燃料系統(tǒng)非常相似，然而，由于較低的工作溫度，太陽(yáng)能動(dòng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)換效率通常 比聯(lián)合循環(huán)燃?xì)庠O(shè)備的轉(zhuǎn)換效率小得多。
[0006] 本文中公開(kāi)的實(shí)施方案旨在為了克服上面討論的一個(gè)或更多個(gè)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本文中公開(kāi)的實(shí)施方案包括耦合有熱能路徑和化學(xué)能路徑的聚光太陽(yáng)能發(fā)電 (CSP)系統(tǒng)和方法。熱路徑利用傳熱流體以在中溫下收集聚集的太陽(yáng)光作為熱能，并且將該 能量傳遞至熱-電動(dòng)力循環(huán)。并行地，化學(xué)路徑利用在接收器中經(jīng)歷直接光致還原的氧化 還原材料以將太陽(yáng)能存儲(chǔ)為化學(xué)勢(shì)。然后這種氧化還原材料在與熱路徑熱交換器串聯(lián)的動(dòng) 力循環(huán)中在很高的溫度下氧化。這種耦合使得接收器能夠使目前工藝水平的典型熱電塔以 高效率運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)典型的天然氣燃燒設(shè)備的動(dòng)力循環(huán)效率并且實(shí)現(xiàn)很高的總的太陽(yáng)能 至電能的轉(zhuǎn)換效率。
[0008]所公開(kāi)的一種實(shí)施方案為一種CSP系統(tǒng)，其包括：太陽(yáng)能接收器，其配置成接收聚 集的太陽(yáng)能通量；以及一定量的傳熱流體（HTF)，其與太陽(yáng)能接收器熱連通使得聚集的太 陽(yáng)能通量加熱HTF。該系統(tǒng)還包括與HTF熱連通的熱交換器，所述熱交換器提供HTF與發(fā)電 循環(huán)的工作流體之間的熱交換。另外，該系統(tǒng)還包括在耦合到熱路徑的化學(xué)路徑中流動(dòng)的 化學(xué)儲(chǔ)能材料。化學(xué)儲(chǔ)能材料還與太陽(yáng)能接收器連通使得聚集的太陽(yáng)能通量使一定量的化 學(xué)儲(chǔ)能材料在氧化還原反應(yīng)的還原部分中還原。因而，化學(xué)儲(chǔ)能材料能夠可替代地被稱(chēng)為 氧化還原材料。
[0009]所述系統(tǒng)還包括與化學(xué)儲(chǔ)能材料連通的氧化器，所述氧化器提供化學(xué)儲(chǔ)能材料的 放熱氧化并且還提供化學(xué)儲(chǔ)能材料與動(dòng)力循環(huán)的工作流體之間的熱交換。因而，該系統(tǒng)利 用并行能量路徑，一個(gè)熱路徑和一個(gè)化學(xué)路徑。耦合在太陽(yáng)能接收器處的兩個(gè)路徑的使用 得到了高效率的CSP設(shè)備。
[0010]該系統(tǒng)還可以包括與HTF管道可操作地關(guān)聯(lián)的熱能存儲(chǔ)。另外，該系統(tǒng)可以包括 獨(dú)立的化學(xué)能存儲(chǔ)，其包括：從太陽(yáng)能接收器可操作地接收經(jīng)還原的化學(xué)儲(chǔ)能材料的還原 的化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)；和/或從氧化器接收經(jīng)氧化的化學(xué)儲(chǔ)能材料的氧化的化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)。
[0011] 本文中公開(kāi)的可替代的實(shí)施方案包括一種具有一定步驟的發(fā)電方法，所述一定步 驟可以以任意合適的順序執(zhí)行并且通常以循環(huán)的方式執(zhí)行。該方法實(shí)施方案通過(guò)提供配置 成接收聚集的太陽(yáng)能通量的太陽(yáng)能接收器開(kāi)始。任意合適類(lèi)型的HTF與太陽(yáng)能接收器以流 動(dòng)、傳輸或者以其他方式熱連通，在太陽(yáng)能接收器中用聚集的太陽(yáng)能通量對(duì)HTF進(jìn)行加熱。 然后經(jīng)加熱的HTF在傳熱流體管道中從太陽(yáng)能接收器流動(dòng)或傳輸至熱交換器。在熱交換器 中，經(jīng)加熱的傳熱流體與動(dòng)力循環(huán)的工作流體之間進(jìn)行熱交換。
[0012] 在并行循環(huán)中，與太陽(yáng)能接收器連通的化學(xué)儲(chǔ)能（氧化還原）材料受聚集的太陽(yáng) 能通量輻射，因此使得一定量的化學(xué)儲(chǔ)能材料還原。然后經(jīng)還原的化學(xué)儲(chǔ)能材料在太陽(yáng)能 接收器和氧化器元件之間流動(dòng)和傳輸。在氧化器中，化學(xué)儲(chǔ)能材料被氧化使得釋放熱能。釋 放的熱能與動(dòng)力循環(huán)中的工作流體進(jìn)行交換。然后可以利用動(dòng)力循環(huán)的經(jīng)加熱的工作流體 進(jìn)行發(fā)電。
[0013]公開(kāi)的實(shí)施方案均以熱能路徑和化學(xué)能路徑雙路徑為特征?？梢砸匀我忸?lèi)型的聚 光太陽(yáng)能發(fā)電裝置并且可以用任意類(lèi)型的一個(gè)或多個(gè)發(fā)電循環(huán)來(lái)實(shí)施該實(shí)施方案。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為不出現(xiàn)有技術(shù)CSP系統(tǒng)的簡(jiǎn)化的系統(tǒng)不意圖。
[0015] 圖2為示出如本文中所描述的具有熱能路徑和化學(xué)能路徑的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方 案的簡(jiǎn)化的系統(tǒng)示意圖。
[0016] 圖3為示出氧化還原循環(huán)的示意圖。
[0017]圖4為示出適合于利用本文中公開(kāi)的系統(tǒng)實(shí)施的代表性的動(dòng)力循環(huán)的簡(jiǎn)化的動(dòng) 力循環(huán)示意圖。
[0018] 圖5為示出本文中公開(kāi)的耦合的路徑是如何減少輻射損失的簡(jiǎn)化的接收器示意 圖。
[0019]圖6為示出可替代的接收器的設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化的系統(tǒng)示意圖。
[0020] 圖7為如本文中所公開(kāi)的代表性的方法的流程圖表示。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 除非另外指出，否則在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中使用的表示成分的量、尺寸、反應(yīng)條件 等的所有數(shù)字將被理解為在所有情況下都可以由術(shù)語(yǔ)"約"來(lái)修飾。
[0022] 在本說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中，除非另外地指出，否則單數(shù)的使用包括復(fù)數(shù)。另外，除 非另外地指出，否則"或"的使用意指"和/或"。此外，術(shù)語(yǔ)"包括"以及其他形式例如"包 含"和"含"的使用是非限制性的。此外，術(shù)語(yǔ)例如"元件"或"部件"包括：包含一個(gè)單元的 元件和部件以及包含多于一個(gè)單元的元件和部件兩者，除非具體地另外指出。
[0023] 如上所述，在與聯(lián)合循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電設(shè)備相比較時(shí)，已知的CSP系統(tǒng)通常在明顯較 低的總體效率下工作。CSP系統(tǒng)的降低的效率主要是由于較低的工作溫度。為了使總體的 太陽(yáng)能電廠效率最大化，有利的是利用能夠?qū)⒀h(huán)燃?xì)庀到y(tǒng)與CSP設(shè)備結(jié)合的高效動(dòng)力循 環(huán)，假設(shè)這可以實(shí)現(xiàn)而不損害CSP設(shè)備的平衡。這個(gè)目標(biāo)無(wú)法在目前工藝水平的太陽(yáng)能發(fā) 電塔（例如硝酸鹽塔或過(guò)熱蒸氣塔）中實(shí)現(xiàn)。在這些塔中，能量路徑是嚴(yán)格的熱能的，意味 著從接收器傳遞至動(dòng)力循環(huán)的所有能量