[发明专利]用于基于热太阳能和生物质和矿物燃料的能源系统的改进混合化系统

说明书

技术领域

本发明涉及热电联合（CHP）的应用。

背景技术

太阳能发电面临的一个基本问题是它依赖于不可预测的和可变的能量源。在某种程度上，该问题可以通过使用热能储存系统得到减轻，该热能储存系统能够将太阳能的可用性延长至超过白天的时间，如果存储量足够大甚至达到24小时，但在低辐射或者没有辐射时间段之后，即使存储系统也不能提供使得发电厂能够可靠地递送基本负荷电力所需的能量。简单地说，实际地建造一种利用太阳能的发电容量，其完全有能力进行基本负荷和可管理的调度，而不需要为太阳能补充一些其它的热能源。

采用的方法继而是为从太阳辐射产生的热能补充来自辅助源的热能。该辅助源通常是矿物燃料，例如液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）或蒸馏物。这些燃料是优选的，因为燃烧这些燃料的锅炉和加热器可以设计成快速起动和停止、循环作业和低负荷作业。这些特性补充了太阳辐射的变化性和不可预测性，并产生了稳定的发电容量。

然而，这类系统不解决构建基本负荷发电的真正可再生能源的基本问题，因为它依赖于不可再生的矿物燃料以便调度和补充。

另一种可替换方案是使用一种可再生的辅助燃料，如生物质。配置和控制将是一个问题，这由本发明解决。

热太阳能场与生物质系统的有效混合涉及混合两种不同来源的热能，并且无缝地将该能量输送到功率模块用于发电。该过程的总体方案在图1中示意性地示出。

因此，在图1中，热能获取自使用太阳辐射作为主要能量来源（CSP）的太阳能场10和使用诸如炭火、有机废料城市垃圾以及其它非太阳能热能来源（BM）的能量源的生物质系统11。来自这两种不同来源的热能被馈送到混合化系统15，所述混合化系统15利用具有不同特性的两个系统的混合，即根据阳光照射的太阳能波动，同时生物质系统跟随太阳能系统变化的能力是有限的。混合化系统15馈送热能，所述热能最终由产生电力17的涡轮发电机16或由其它热能用户使用。

图2示意性地示出了与太阳能蒸汽发生器21并联布置的生物质燃烧锅炉20，并且能够被用于在馈送到涡轮机（诸如图1中的16）之前在很少或没有太阳辐射的时候部分或者完全补充蒸汽输出。这种配置以简单的方式在蒸汽供应到涡轮机时用系统集成结合了这两种技术。来自太阳能场10的传热流体22通过第一阀门23被馈送到太阳能蒸汽发生器21，并且冷却器传热流体24被泵25抽回太阳能场。所述太阳能蒸汽发生器21产生的蒸汽26与生物质燃烧锅炉20产生的蒸汽被并行馈送到涡轮机，并且冷凝剂27返回到生物质燃烧锅炉20和太阳能蒸汽发生器21两者，其中它被不间断循环再加热。为了在即使没有阳光照射的情况下利用太阳热能，热能储存器（TES）28可以通过第二阀门29耦接到太阳能蒸汽发生器21。在白天期间存储在TES28中的太阳热能可以在夜间使用，以通过关闭第一阀门23并开启第二阀门29为太阳能蒸汽发生器21供电。

然而，这种解决方案的效果需要锅炉具有部分负荷（调低）能力，以及当太阳能场不能输送100%的蒸汽需求时响应于涡轮机的补充热量需求的“快速响应”起动能力。典型地，生物质锅炉的燃烧室只能以有限的速率加热（大约每小时100℃），这意味着从冷开始起动的时间是数小时。每次起动包含热损耗，直到系统达到工作状况。在经历频繁起动和停止的应用中-如这里的情形那样-起动损耗是显著的。

此外，生物质锅炉调低通常被限制在全负荷的50%～70%。因此，在基本负荷运行期间，当锅炉可能需要快速输送蒸汽来补充太阳能场输出时，锅炉必须保持“热度”，但其运行在最小负荷是不可行的。采用这种方法的系统需要使用某些类型的外部热源来保持热度。由此而引起的能量损失是显著的，降低了整体设备转化效率。

此外，在调度的情况下，设备需要仅在一天中的某几小时期间（例如7:00到24:00）输送功率，该锅炉方案将需要频繁起动和停止，这将恶化上面所指出的生物质锅炉的固有问题，并且也降低其利用因数。

因此虽然简单，但这种选择不能提供一种针对高效基本负荷发电厂的技术上适合的配置。

图3示意性地示出了与太阳能蒸汽发生器21串联的生物质燃烧蒸汽过热器30。在其它方面，配置是与图2相同的，因此不进行说明。这种配置的目的是克服基于密集的太阳能的发电厂的效率限制之一，即能够达到的最高蒸汽温度。例如，来自太阳能场的饱和蒸汽可以过热到540℃，从而将涡轮机的热效率从大约39%提高到44%。