[发明专利]蒸汽兰金循环太阳能装置以及运行该装置的方法

说明书

技术领域

本公开大体涉及具有蒸汽兰金(Rankine)循环的集中式太阳能热装置，并且更具体而言，涉及这样的装置的设计和构造。

背景技术

可基于线性太阳能集中收集器或焦点集中系统来对可用来在商业上产生电的集中式太阳能热装置进行分类。

线性太阳能集中装置在两个维度上将太阳的光线集中到沿着线性焦点而布置的两个接收器上。系统围绕单个轴线跟踪太阳的运动，以便在收集器的入射光线和线性轴线之间保持对准。普通的线性集中装置包括抛物线槽型收集器和菲涅耳(Fresnel)镜阵列。这样的集中器的出口温度典型地被限制在300℃和550℃之间，主要受到热传递流体的热稳定性的限制。这样的线性集中器的优点在于，它们的安装和生产成本较低，这部分是因为它们对跟踪的要求较简单。这使得此技术适于较低温度的应用。

焦点系统典型地包括被成圆形阵列的定日镜包围的中央接收器，定日镜在三个维度上将阳光集中到中央接收器上。传送通过接收器的热传递介质吸收由定日镜反射的高度集中的辐射，并且将该辐射转换成热能，以用热能来产生在蒸汽兰金循环中使用的过热蒸汽。为了保持集中在塔上，需要双轴线跟踪系统。这些系统的额外的轴向跟踪维度会增加复杂性，并且从而增加安装的成本。虽然太阳能塔设计可实现范围在600℃至1100℃中的温度，但由于难以接近理论集中比，典型地通过商业级单元实现在这个范围的下限处的温度。尽管如此，当需要高温时，仍然有利地使用点聚集系统。

点聚焦集中器的一个优点在于，增加容量需要增加定日镜的数量，从而增加太阳能场的大小。为了对远处的定日镜提供焦点，塔高必须随场大小的增加而相应地增加。这提出了结构性挑战，特别是当热传递介质为水/蒸汽时，在这种情况下，锅炉必须位于塔的顶部处。

绝大多数当代公用事业级太阳能热功率装置基于使用传统的蒸汽循环技术的蒸汽兰金循环(蒸汽-蒸汽涡轮)技术。这些循环的效率高度依赖于跨过蒸汽涡轮的平均温度。因此，有利地，可使用再热循环来提高效率。这个再热以及多个压力级蒸汽涡轮可降低工作流体在膨胀循环期间将变得显著更湿的风险，以及因而最大程度地降低水腐蚀蒸汽涡轮叶片的风险。在美国专利申请US 2010/0282242 A1中论述了可与再热蒸汽涡轮一起使用的太阳能功率装置的示例。解决方法包括将多个太阳能接收器安装在太阳能功率塔上，使得可在各个独立地构造的接收器中实现不同的温度和任务。如该申请中论述的那样，独立的接收器位于塔上，以进行再加热工作，从而产生具有多个接收器的塔。特别地，对于大型太阳能场而言，这种布置会增加太阳能功率塔的复杂性，并且具有另外的缺点，即，各个额外的接收器会对塔增加额外的高度。

为了利用线性集中器和焦点系统两者的优点，美国专利No. US 8,087,245 B2论述了将线性集中系统布置成与点聚焦系统串联的使用。通过使用可用来消除可变的太阳能通量的热存储和矿物燃料支持来进一步优化这个系统。虽然提供了一些优点，但所论述的系统未解决由于平均循环温度低而引起的效率降低的问题。

已知的是与太阳能收集器并联地运行热能存储系统作为存储多余的太阳能的手段，多余的太阳能被存储，以在太阳能通量变得不足时使用。存在若干种存储方案，包括直接系统和间接系统。

在间接循环中，使用间接循环的流体(即用来收集太阳能热的流体)来存储太阳能热。流体存储在两个罐中：一个罐处于高温，而另一个罐则处于低温。来自低温罐的流体流过太阳能收集器或接收器，在那里，太阳能将流体加热到高温。然后流体流到高温罐供存储。来自高温罐的流体流过热交换器，在那里，流体产生用于发电的蒸汽。然后流体在低温下离开热交换器，并且回到低温罐。

一种备选方法是使用单罐斜温层系统，该系统将热能存储在固体介质中，诸如硅砂。该系统基于这样的原理来工作，即，在任何时候，介质的一部分处于高温，而一部分处于低温，其中，热温度区和冷温度区被温度梯度隔开。高温的热传递流体流到罐的顶部中，并且在低温下离开底部。这个过程使温度梯度向下移动，并且对系统添加热能，以供存储。相反，流使热梯度向上移动，并且从系统中移除热能，以产生蒸汽和电。浮力效应会在罐内产生流体的热分层，这有助于稳定和保持温度梯度。

发明内容

公开一种蒸汽兰金循环太阳能装置，其可提供改进的蒸汽涡轮运行效率，同时最大程度地降低安装和运行的成本。

本公开试图借助于独立权利要求的主题来解决这个问题。在从属权利要求中给出了有利实施例。