[发明专利]耦合的化学-热太阳能发电系统及其方法

说明书

技术领域

本文中公开的实施方案包括聚光太阳能发电(“CSP”)(也被称为太阳能热发电)的领域的系统和方法。所公开的系统和方法一般地利用两个并行耦合的能量路径，一个热路径和一个化学路径，以将太阳能高效地转换成电能。具体地，所公开的实施方案包括与独立的化学储能材料连通的太阳能接收器和在独立的路径中流动或传输的传热流体。化学储能材料在接收器处经受低温光致还原。另外，传热流体(“HTF”)在太阳能接收器处被加热至工作温度。化学储能材料和HTF被用于驱动在相对高的温度下工作的动力循环，这是因为在HTF冷却的同时化学储能材料氧化放热，或者HTF冷却与化学储能材料氧化放热顺序进行。

背景技术

聚光太阳能技术一般可以分成用于发电的热系统和用于燃料生产和化学处理的化学系统。在利用不同类型的反射器配置例如槽、盘和定日镜的技术领域中，热CSP设备的变型是已知的。已知的CSP系统利用许多可替代的传热流体例如油、熔融盐和蒸气，并且可以被用于驱动各种动力循环，例如蒸气兰金(Rankine)循环、超临界蒸气兰金循环、以及超临界二氧化碳布雷顿(Brayton)循环。

现有工艺水平的高温CSP塔以例如在美国专利申请2008/0302314中示出的直接蒸气生成塔和例如在美国专利申请2008/0000231中示出的熔融硝酸盐塔作为代表。这些类型的塔通常在高达约600℃的温度下工作。用高于600℃的工作温度可以实现较大的发电效率。利用常规的CSP策略难以实现超过600℃的工作温度。

已经以若干形式提出了用于驱动化学反应的聚光太阳能塔。一个已知的想法利用聚集的太阳光生成热以分解生物质，例如在美国专利申请2010/0249468中描述的。另一已知的方法特征在于利用聚集的太阳光使水通过与催化剂的相互作用而经历光分解，例如在美国专利4,045,315中描述的。其他的技术利用聚集的太阳光和还原/氧化循环以由水产生氢气或由二氧化碳产生一氧化碳气体，例如在美国专利申请2009/0107044中描述的。前述化学方法不是特别适合利用已知的基于动力循环的动力涡轮机来发电。

使聚光太阳能发电系统的发电设备的效率最大化很重要，这是因为对于相同的净能量产量其通过需要较小的太阳能场和接收器而使整个系统的资金成本减少。在聚光太阳能发电塔中，总的太阳能至电能的效率为太阳能场效率、接收器(太阳能至热能)效率、存储效率、以及动力循环(热能至电能)效率的乘积。热能至电能转换系统在可比较的温度下与化石燃料系统非常相似，然而，由于较低的工作温度，太阳能动力循环的转换效率通常比联合循环燃气设备的转换效率小得多。

本文中公开的实施方案旨在为了克服上面讨论的一个或更多个问题。

发明内容

本文中公开的实施方案包括耦合有热能路径和化学能路径的聚光太阳能发电(CSP)系统和方法。热路径利用传热流体以在中温下收集聚集的太阳光作为热能，并且将该能量传递至热-电动力循环。并行地，化学路径利用在接收器中经历直接光致还原的氧化还原材料以将太阳能存储为化学势。然后这种氧化还原材料在与热路径热交换器串联的动力循环中在很高的温度下氧化。这种耦合使得接收器能够使目前工艺水平的典型热电塔以高效率运行，同时实现典型的天然气燃烧设备的动力循环效率并且实现很高的总的太阳能至电能的转换效率。

所公开的一种实施方案为一种CSP系统，其包括：太阳能接收器，其配置成接收聚集的太阳能通量；以及一定量的传热流体(HTF)，其与太阳能接收器热连通使得聚集的太阳能通量加热HTF。该系统还包括与HTF热连通的热交换器，所述热交换器提供HTF与发电循环的工作流体之间的热交换。另外，该系统还包括在耦合到热路径的化学路径中流动的化学储能材料。化学储能材料还与太阳能接收器连通使得聚集的太阳能通量使一定量的化学储能材料在氧化还原反应的还原部分中还原。因而，化学储能材料能够可替代地被称为氧化还原材料。

所述系统还包括与化学储能材料连通的氧化器，所述氧化器提供化学储能材料的放热氧化并且还提供化学储能材料与动力循环的工作流体之间的热交换。因而，该系统利用并行能量路径，一个热路径和一个化学路径。耦合在太阳能接收器处的两个路径的使用得到了高效率的CSP设备。

该系统还可以包括与HTF管道可操作地关联的热能存储。另外，该系统可以包括独立的化学能存储，其包括：从太阳能接收器可操作地接收经还原的化学储能材料的还原的化学存储系统；和/或从氧化器接收经氧化的化学储能材料的氧化的化学存储系统。