[发明专利]利用固液相变材料用于热传递的集中太阳能发电方法和系统

说明书

技术领域

本文所公开的实施方式总体上涉及集中太阳能发电（“CSP”）技术，更具体地涉及利用在热传递循环期间经历固体到液体以及液体到固体的相变的传热材料（“HTM”）的CSP技术。

背景技术

集中太阳能发电（“CSP”）系统利用太阳能来驱动用于发电的热电循环。CSP技术包括抛物面槽式、线性菲涅尔式、中心接收器或“塔式”以及碟式系统。适用于美国西南部的能源供应商的可再生能源配额制和西班牙的可再生能源上网电价补贴政策已经推动了对CSP的极大兴趣。CSP系统通常被部署为大型集中发电厂以利用规模经济的优势。某些CSP系统——特别是抛物线型槽式和塔式——的关键优势为合并热能储存的能力。热能储存（TES）例如通常比电能储存如电池更便宜且更高效。另外，TES使CSP厂能够具有增加的容量因子并且根据需要调度电力，以覆盖例如傍晚或其他需求高峰。

CPS厂通常利用油、熔盐或蒸汽来将太阳能从太阳能采集场、太阳能接收器塔或其他装置传递至发电块。这些材料通常作为气体或液体在管路或管道系统中流动，从而一般被称为“传热流体”（HTF）。典型的HTF流经热交换装置以将水加热成蒸汽或将替代“工作流体”加热至接着在发电循环上使用的工作温度，从而驱动涡轮机并进行发电。常用的HTF具有在某些情况下限制整个CSP厂性能的特性。例如，一种常用的合成油HTF具有390℃的上限温度，熔盐具有约565℃的上限温度，同时直接蒸汽生成需要复杂的控制并且要考虑有限的储热容量。

在本领域中，采用经历液气相转变的HTF的CSP厂是公知的。例如，美国专利8,181,641和美国专利4,117,682各自提出了塔式布置和呈现液气相变的HTF。这样的技术得益于经历液气相转换的材料的高热容量以及与接收器中的两相流相关联的大传热系数。在液气相转换系统中，经加热的HTF必然处于气相；因此，有效的热能储存可能是困难的。另外，电力循环效率略微地被温度限制为效率略低的循环如过热郎肯（Rankine）循环。

替选地，系统和接收器设计可以以固体传热材料（HTM）为特征。一种已知的系统以通过集中的太阳能通量进行照射以及加热下落的固体颗粒为特征，如由Evans等人在1985年的“Numerical Modeling of a solid Particle Solar Central Receiver”Sandia Report SAND85-8249中所描述的。固体颗粒CSP设计可以产生较高的理论最高温度，因而可以利用较高的理论电力循环效率的优势。不幸地，固体颗粒接收器系统的对流损耗高，这在很大程度上归因于下落颗粒与接收器内空气的相互作用。如果使用窗口来限制空气与颗粒的相互作用，则会出现可能影响整个系统效率的其他设计挑战，例如窗口吸收。另外，在太阳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难度。

在本领域中，使用液体盐HTF的CSP厂也是公知的。例如，美国专利6,701,711和4,384,550公开了基于塔式的熔盐接收器系统，并且美国专利7,051,529公开了基于碟式的系统。这些系统依赖于在通过系统的接收器、储存器和热交换元件时保持为液态的HTF。使用液体HTF使得能够通过热隔离罐进行简单的热能储存，但产生了将具有固有高凝固点的HTF保持为液体形式的问题。此外，由于需要将HTF保持为仅液相，降低了液体HTF接收器内部的太阳能热传导效率。

美国专利4,469,088描述了将固液相变材料（“PCM”）限制在接收器内的抛物面太阳能槽。该固液PCM设计使得能够同时加热独立且稳定的热能储存材料和HTF。然而，因为在该设计中热能储存材料与HTF之间的热交换必须在接收器中进行，所以整个系统效率由于在储热、释热和待机期间过高的总热损耗而受限。

在美国专利4,127,161以及W.Steinmann和R.Tamme的“Latent heat storage for solar steam ystem”Journal of Solar Energy130(1)Engineering(2008)中还描述了采用具有固液相变的材料的CSP塔式系统和槽式系统。然而，在这些系统中，热储存系统在物理上远离接收器，从而导致固有的瞬时系统性能和复杂的操作策略，以及通过使用间接换热器的热劣化。

本文所公开的实施方式旨在克服包括但不限于以上讨论的问题的一个或更多个技术限制。

发明内容