基于氮的熱存儲(chǔ)介質(zhì)的制作方法
【專利說(shuō)明】基于氮的熱存儲(chǔ)介質(zhì)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)針對(duì)2013年I月21日提交的第61/754，766號(hào)美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)主張權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明總體上涉及用在聚光式太陽(yáng)能發(fā)電廠中的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，尤其涉及基于氮的熱存儲(chǔ)介質(zhì)。
【背景技術(shù)】
[0003]減少二氧化碳排放的全球性迫切需求以及全球變暖刺激了對(duì)替代能源的關(guān)注。為了支持無(wú)污染的替代能源，使用基于石油的產(chǎn)品-例如煤、天然氣、油等-的常規(guī)發(fā)電廠正在淡出人們視野。新核電站的設(shè)計(jì)和建造在2011年日本福島第一核電站事故后需要接受額外的詳細(xì)的審查。太陽(yáng)能和風(fēng)能已經(jīng)開(kāi)始被視為核能、燃煤和燃?xì)獍l(fā)電的可行替代品。大規(guī)模太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電裝置已在建設(shè)中或已投入使用。越來(lái)越多的投資為風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電廠的設(shè)計(jì)創(chuàng)新注入了能量。市場(chǎng)上出現(xiàn)了成本更低但性能更佳的材料。使用不昂貴部件的改進(jìn)型設(shè)計(jì)使發(fā)電廠的效能得以改善，成本得以降低。這種趨勢(shì)每年都在繼續(xù)，帶來(lái)了積極效果。
[0004]作為替代能源的主要組成部分，太陽(yáng)能發(fā)電廠可以為光伏式(“PV”)或聚光式(“CSP”)。
[0005]光伏式發(fā)電廠是通過(guò)使用具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體將太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為電能來(lái)發(fā)電的。所述PV發(fā)電廠包括大量的太陽(yáng)能板，各塊板上包括大量的太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池含有光伏材料。材料和制造技術(shù)的進(jìn)步大幅降低了太陽(yáng)能板的成本。
[0006]CSP發(fā)電廠使用大量的鏡子或透鏡將陽(yáng)光聚集在一小塊區(qū)域。來(lái)自被聚集的太陽(yáng)能的熱量被用于直接或間接的將高壓水轉(zhuǎn)化為蒸汽。高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。
[0007]在塔式CSP發(fā)電廠中，鏡子將太陽(yáng)能聚集至安裝在塔頂部的鍋爐管。高壓水在所述鍋爐管內(nèi)部流動(dòng)。被聚集的太陽(yáng)能在所述鍋爐管內(nèi)將高壓水轉(zhuǎn)化為蒸汽。這是直接將高壓水加熱成蒸汽的機(jī)理。
[0008]在拋物鏡CSP發(fā)電廠中，拋物鏡將太陽(yáng)能聚集至在中央接收管中流動(dòng)的傳熱流體(下稱“傳熱流體”)。被聚集的太陽(yáng)能將所述傳熱流體加熱。來(lái)自所述傳熱流體的能量被用于在單獨(dú)的大型熱交換器中將高壓水轉(zhuǎn)化為蒸汽。這是間接將高壓水加熱成蒸汽的機(jī)理。
[0009]所述聚光式發(fā)電廠在白天運(yùn)行，在夜間必須關(guān)閉。所述發(fā)電廠的效能經(jīng)常在被云層覆蓋時(shí)受到影響。需要其它發(fā)電廠的電來(lái)抵消太陽(yáng)能發(fā)電廠在夜間或云層覆蓋時(shí)的輸出損失。
[0010]所述太陽(yáng)能發(fā)電廠在夜間的電能損失常常通過(guò)熱存儲(chǔ)來(lái)避免。在白天，部分被收集的太陽(yáng)能被用于將熱存儲(chǔ)材料加熱至高溫并被存儲(chǔ)在大型絕緣容器中。在夜間，來(lái)自所述熱存儲(chǔ)材料的能量被用于直接或間接的將高壓水加熱成蒸汽。高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。
[0011]熔鹽是目前選用的熱存儲(chǔ)材料。在白天，用太陽(yáng)能將鹽加熱至高溫。處于高溫的熔鹽被存儲(chǔ)在大型絕緣容器中。在夜間，來(lái)自熔鹽的能量被用于直接或間接的將高壓水加熱成蒸汽。高壓蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。
[0012]熱存儲(chǔ)需要非常大的量的熔鹽。采購(gòu)熔鹽并將之運(yùn)輸至位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的太陽(yáng)能發(fā)電廠很有挑戰(zhàn)性。鹽是化肥產(chǎn)業(yè)的主要材料，鹽制造商非常不愿意將數(shù)年的生產(chǎn)配額轉(zhuǎn)給太陽(yáng)能發(fā)電廠。熔鹽在550華氏度就會(huì)凝固。如果在夜間或寒冷的白天在管路、閥門或其它部件中凝結(jié)將會(huì)導(dǎo)致一整套的新問(wèn)題。為了避免凝固問(wèn)題，整個(gè)熔鹽容器、熱交換器和管路都必須絕緣。這導(dǎo)致額外的成本和風(fēng)險(xiǎn)。鹽組合物中的雜質(zhì)將會(huì)改變?nèi)刍瘻囟群蜔嵝再|(zhì)，從而影響整個(gè)熱存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。因此，本領(lǐng)域需要開(kāi)發(fā)出一種有效的熱存儲(chǔ)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不會(huì)受與熔鹽或本領(lǐng)域的技術(shù)人員使用的其它基質(zhì)相關(guān)的問(wèn)題困擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]根據(jù)本發(fā)明，可以通過(guò)一種用在直接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠中的熱存儲(chǔ)和傳遞方法來(lái)獲得前述和其它目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)，所述方法包括:使氮流經(jīng)接收白天所聚集的太陽(yáng)輻射所傳遞的熱能的鍋爐管的一部分；將被加熱的氮存儲(chǔ)在與所述鍋爐管相連的一個(gè)或多個(gè)容器中；在夜間，將所述被加熱的氮從所述一個(gè)或多個(gè)容器引導(dǎo)(route)至氮-水-蒸汽熱交換器(“NWSHX”)，其中來(lái)自所述被加熱的氮的熱能被用于將加壓水轉(zhuǎn)化為蒸汽。在氮-水-蒸汽熱交換器中，所述被加熱的氮在一排管內(nèi)流動(dòng)，高壓水和蒸汽則在所述管外流動(dòng)。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，除了上述的發(fā)明，所述另一種熱存儲(chǔ)和傳遞方法進(jìn)一步包括傳遞來(lái)自太陽(yáng)的熱能以僅用于加熱所述鍋爐管內(nèi)流動(dòng)的氮，使用所述被加熱的氮中的一部分的熱能在熱交換器中將水轉(zhuǎn)化為蒸汽。加壓蒸汽流經(jīng)蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。在本發(fā)明的這一方面，位于太陽(yáng)能塔頂部的鍋爐需要被設(shè)計(jì)為僅加熱氮，而不是同時(shí)加熱氮和水，從而簡(jiǎn)化了鍋爐設(shè)計(jì)。
[0015]剩余的氮被存儲(chǔ)在與所述鍋爐管相連的一個(gè)或多個(gè)容器中；在夜間，將所述被加熱的氮從所述一個(gè)或多個(gè)容器引導(dǎo)至氮-水-蒸汽熱交換器，其中來(lái)自所述被加熱的氮的熱能被用于將加壓水轉(zhuǎn)化為蒸汽。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還有一種用在間接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠中的熱存儲(chǔ)和傳遞方法，所述方法包括:在太陽(yáng)能場(chǎng)利用太陽(yáng)能加熱傳熱流體；將被加熱的傳熱流體引導(dǎo)進(jìn)入氮熱交換器，其中來(lái)自所述傳熱流體的熱能被用于加熱氮；將被加熱的氮存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)容器中并在夜間將來(lái)自所述一個(gè)或多個(gè)容器的被加熱的氮引導(dǎo)至氮-水-蒸汽熱交換器，其中來(lái)自所述被加熱的氮的熱能被用于將水轉(zhuǎn)化為蒸汽。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還有一種用在間接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠中的熱存儲(chǔ)和傳遞方法，所述方法包括:在太陽(yáng)能場(chǎng)通過(guò)太陽(yáng)能加熱傳熱流體和氮。被加熱的傳熱流體被引導(dǎo)至熱交換器，其中來(lái)自所述被加熱的傳熱流體的熱能被用于將高壓水加熱成為蒸汽。被加熱的氮被引導(dǎo)并存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)容器中，在夜間所述被加熱的氮被引導(dǎo)至氮-水-蒸汽熱交換器，其中來(lái)自所述被加熱的氮的熱能被用于將水轉(zhuǎn)化為蒸汽。所述氮可以被加熱至大幅度地高于所述傳熱流體的溫度的溫度，從而以更少的氮量獲得更高的效率。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還有一種用在間接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠中的熱存儲(chǔ)和傳遞方法，所述方法包括:在太陽(yáng)能場(chǎng)通過(guò)太陽(yáng)能僅加熱氮；部分被加熱的氮被引導(dǎo)至氮-水-蒸汽熱交換器，其中來(lái)自所述被加熱的氮的熱能被用于將高壓水加熱成蒸汽。剩余的被加熱的氮被引導(dǎo)并存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)容器中。在夜間，來(lái)自所述存儲(chǔ)容器的被加熱的氮被引導(dǎo)至氮-水-蒸汽熱交換器，其中來(lái)自所述氮的熱能被用于將高壓水轉(zhuǎn)化為蒸汽。所述氮可以被加熱至大幅度地高于所述傳熱流體的溫度的溫度，從而以更少的氮量獲得更高的效率。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，所述熱存儲(chǔ)和傳遞方法還包括使用加壓氮，以減小氮存儲(chǔ)體積以及減少存儲(chǔ)容器的數(shù)量。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，用于在白天和夜間運(yùn)行中傳遞來(lái)自于被加熱的氮的熱能以將水轉(zhuǎn)化為蒸汽的所述熱交換器可以為兩個(gè)獨(dú)立的熱交換器、單一熱交換器或是由兩個(gè)熱交換器構(gòu)成的單一裝置。
【附圖說(shuō)明】
[0021]本發(fā)明將通過(guò)下述附圖僅以示例方式顯示的【具體實(shí)施方式】的描述變得更加清晰易懂。
[0022]圖1是詳示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)【具體實(shí)施方式】的直接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠的日/夜運(yùn)行的示意圖。日間運(yùn)行以粗黑線表示，夜間運(yùn)行以虛線表示；
圖2是詳示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)【具體實(shí)施方式】的直接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠的日/夜運(yùn)行的示意圖。日間運(yùn)行以粗黑線表示，夜間運(yùn)行以虛線表示；
圖3是詳示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)【具體實(shí)施方式】的間接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠的日/夜運(yùn)行的示意圖。日間運(yùn)行以粗黑線表示，夜間運(yùn)行以虛線表示；
圖4是詳示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)【具體實(shí)施方式】的間接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠的日/夜運(yùn)行的示意圖。日間運(yùn)行以粗黑線表示，夜間運(yùn)行以虛線表示；
圖5是詳示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)【具體實(shí)施方式】的間接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠的日/夜運(yùn)行的示意圖。日間運(yùn)行以粗黑線表示，夜間運(yùn)行以虛線表示。
【具體實(shí)施方式】
[0023]參見(jiàn)附圖，其中在多張圖中相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的組成部分。圖1是直接加熱太陽(yáng)能發(fā)電廠(基本上以標(biāo)號(hào)10表示)的日夜運(yùn)行的示意圖。鍋爐30位于太陽(yáng)能塔的頂部。在日間，聚集的太陽(yáng)輻射指向鍋爐30的鍋爐管40的外表面，所述鍋爐管40承載著高壓水。聚集的太陽(yáng)能將水轉(zhuǎn)化為蒸汽，所述蒸汽流經(jīng)發(fā)電的裝置(蒸汽渦輪50和發(fā)電機(jī)60)。來(lái)自蒸汽渦輪50的低壓蒸汽在冷凝器70中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵20并被引導(dǎo)回鍋爐管40。
[0024]來(lái)自一個(gè)或多個(gè)冷藏罐80的冷卻的氮被氮泵90抽取并被引導(dǎo)至所述鍋爐管的一部分100。聚集的太陽(yáng)能加熱在所述鍋爐管內(nèi)流動(dòng)的氮。被加熱的氮被存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)氣存儲(chǔ)鍾110中。
[0025]在夜間(或是在其它低光條件下)，來(lái)自一個(gè)或多個(gè)熱氮存儲(chǔ)罐110的被加熱的氮被引導(dǎo)至氮-水-蒸汽熱交換器120，其中來(lái)自所述被加熱的氮的熱能被用于將加壓水轉(zhuǎn)化為蒸汽。加壓蒸汽在蒸汽渦輪50和發(fā)電機(jī)60的裝置中生成電能。來(lái)自所述蒸汽渦輪的低壓蒸汽在冷凝器70中被冷凝。所得的冷凝物被抽入冷凝泵20并被引導(dǎo)回鍋爐管40或氮-水-蒸汽熱交換器120。同時(shí)，冷卻的氮回到所述一個(gè)或多個(gè)冷卻氮存儲(chǔ)罐80。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于使用熔鹽帶來(lái)的問(wèn)題可以通過(guò)使用氮作為熱存儲(chǔ)介質(zhì)予以解決。使用氮的優(yōu)點(diǎn)包括簡(jiǎn)單易得，因?yàn)榈厍虼髿?0%是氮。無(wú)需將氮運(yùn)輸至偏遠(yuǎn)的太陽(yáng)能發(fā)電廠位置。氮抽取裝置并不昂貴而且容易獲得，可以以低成本直接安裝在太陽(yáng)能發(fā)電廠，以從大氣中抽取氮。另外，氮的熱性質(zhì)