整合聚光型太陽能發(fā)電接收器與加壓熱交換器的發(fā)電設(shè)施的制作方法
【專利說明】整合聚光型太陽能發(fā)電接收器與加壓熱交換器的發(fā)電設(shè)施
[0001]根據(jù)在美國能源部與可持續(xù)能源聯(lián)盟LLC之間的合同號DE-AC36-08G028308，美國政府可能享有本發(fā)明的某些權(quán)利。根據(jù)在合同號DE-AC36-08G028308下在可持續(xù)能源聯(lián)盟與 Babcock&Wilcox Power Generat1n Group, Inc.之間的子合同 ZGJ-3-23315-01 發(fā)展了本發(fā)明。
【背景技術(shù)】
[0002]下文涉及發(fā)電技術(shù)、聚光型太陽能發(fā)電技術(shù)、加壓熱交換器技術(shù)和相關(guān)技術(shù)。
[0003]—種已知的發(fā)電技術(shù)是聚光型太陽能發(fā)電(CSP)，其在設(shè)計上包括定日鏡場，定日鏡將太陽能聚集到(通常塔架安裝的)太陽能接收器上。顆粒固體粒子通過太陽能接收器流動并且從聚集的光中吸取能量并且因此被加熱。熱流動粒子被饋送到流化床鍋爐內(nèi)以生成高壓工作流體來驅(qū)動發(fā)電機渦輪。某些這樣的太陽能聚光器以非限制性說明性示例的方式描述于以下文獻:在2013年10月3日公開的Ma的美國公開N0.2013/0257056Al (其以全文引用的方式并入到本文中)和在2013年10月3日公開的Ma等人的美國專利N0.2013/0255667 Al (其以全文引用的方式并入到本文中)，以及在2014年4月10日提交的 Maryamchik 等人的美國序列號為 N0.14/250, 160 的 “Concentrated Solar PowerSolids-Based System” (其以全文引用的方式并入到本文中)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在本文中公開的某些方面，一種發(fā)電設(shè)施包括:太陽能接收器，其被配置成加熱固體粒子；立管，其從太陽能接收器向下延伸以從太陽能接收器接收固體粒子，立管具有足以支承高度H的熱固體粒子柱的高度；加壓熱交換器，其被配置成在大于大氣壓力的高壓操作以通過從立管底部流出的熱固體粒子的傳熱而加熱通過加壓熱交換器流動的工作流體；以及用于固體粒子從立管的底部進入到加壓熱交換器的流動路徑，流動路徑被配置成由高度H的熱固體粒子柱在立管底部處產(chǎn)生的壓力P而密封。加壓熱交換器可包括加壓流化床熱交換器。流動路徑可以包括筒倉或緩沖槽，筒倉或緩沖槽包括壓力容器，壓力容器連接到立管底部。流動路徑可以包括非機械閥，非機械閥并不具有移動零件并且通過工作流體流動攪動閥中的固體粒子而操作。發(fā)電設(shè)施還可包括:渦輪，其與加壓熱交換器操作性地連接以由從加壓熱交換器排放的熱工作流體而驅(qū)動；以及，壓縮機，其由渦輪驅(qū)動以驅(qū)動工作流體通過加壓熱交換器以限定至少部分地由聚光型太陽能發(fā)電或聚光光熱(CSP)驅(qū)動的熱力學(xué)循環(huán)，聚光型太陽能發(fā)電包括在太陽能接收器加熱的固體粒子中沉積的熱能。在某些實施例中，由渦輪驅(qū)動以驅(qū)動工作流體通過加壓熱交換器的壓縮機限定至少部分地由CSP驅(qū)動的布雷登循環(huán)，CSP包括在太陽能接收器加熱的固體粒子中沉積的熱能。在某些實施例中，由高度H的熱固體粒子柱在立管底部產(chǎn)生的壓力P至少是5atm。
[0005]在本文中公開的某些方面，一種方法包括:加熱在太陽能接收器中的固體粒子；通過來自太陽能接收器的重力進給而將太陽能接收器排放的熱固體粒子形成為高度H的堆疊；將固體粒子從高度H堆疊底部轉(zhuǎn)移到加壓熱交換器內(nèi)，其中轉(zhuǎn)移包括由高度H的堆疊重量產(chǎn)生的壓力來密封在加壓熱交換器中的氣體壓力；以及在加壓熱交換器中，從固體粒子轉(zhuǎn)移向至少5atm高壓的工作流體傳熱。該方法還可包括使用來自加壓熱交換器中的固體粒子的傳熱而加熱的工作流體驅(qū)動渦輪；以及使用由渦輪驅(qū)動的壓縮機來循環(huán)工作流體通過加壓熱交換器，由此，限定熱力學(xué)循環(huán)，通過在太陽能接收器中的固體粒子的加熱來驅(qū)動熱力學(xué)循環(huán)。由從加壓熱交換器中的固體粒子的傳熱而加熱的工作流體還可以通過燃燒過程而加熱，燃燒過程進一步驅(qū)動熱力學(xué)循環(huán)。
[0006]在本文中公開的另外方面，一種基于固體的聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，包括:太陽能接收器，其被配置成加熱粒狀固體介質(zhì)，包括粒狀固體粒子；加壓熱固體儲存裝置，其被配置成儲存由太陽能接收器加熱之后的粒狀固體介質(zhì)；加壓熱交換器，其被配置成從粒狀固體介質(zhì)向氣態(tài)介質(zhì)傳熱；流動路徑，其連接成將由太陽能接收器加熱的粒狀固體介質(zhì)進給到加壓熱交換器；壓縮機，其連接成將氣態(tài)介質(zhì)供應(yīng)到加壓熱交換器；輸送器，其被配置成在向加壓熱交換器中的氣態(tài)介質(zhì)傳熱之后將粒狀固體介質(zhì)從加壓熱交換器運輸?shù)教柲芙邮掌?；燃氣渦輪，其操作性地連接成由加壓熱交換器中加熱的氣態(tài)介質(zhì)驅(qū)動；以及，立管，其安置于從太陽能接收器到加壓熱固體儲存裝置的粒狀固體介質(zhì)的路徑中。立管具有足以保持高度H的粒狀固體介質(zhì)堆疊的高度，高度H足以提供對抗熱固體儲存裝置中壓力的密封。在某些實施例中，立管底端至少部分地被加壓熱固體儲存裝置包圍，并且至少一個流化噴嘴位于加壓熱固體儲存裝置中。在某些實施例中，加壓熱交換器包括塔盤堆疊，每個塔盤支承固體床，塔盤連接成允許粒狀固體介質(zhì)通過塔盤向下流動并且氣態(tài)介質(zhì)通過塔盤向上流動。
[0007]在下文中更特定地描述本公開的這些和其它非限制性方面和/或目的。
【附圖說明】
[0008]本發(fā)明可以呈現(xiàn)各種部件和部件的配置結(jié)構(gòu)，和各種過程操作和過程操作的配置。附圖只是出于說明優(yōu)選實施例的目的并且不應(yīng)被理解為限制本發(fā)明。本公開包括以下附圖。
[0009]圖1至圖3示意性地示出了說明性發(fā)電設(shè)施實施例。
[0010]圖4至圖7示意性地示出了適用于圖1至圖3中的發(fā)電設(shè)施中的加壓流化熱交換器床。
【具體實施方式】
[0011]可以通過參考附圖而獲得對本文所公開的過程和設(shè)備更全面的理解。這些附圖僅僅是基于展示現(xiàn)有技術(shù)和/或目前發(fā)展的方便性和簡易性的示意性圖示，并且因此并無指示組件或其部件的相對大小和尺寸的意圖。
[0012]盡管為了清楚起見在下文的描述中使用具體術(shù)語，這些術(shù)語旨在僅參考被選擇用于在附圖中說明的實施例的特定結(jié)構(gòu)，并且并無限定或限制本公開的范圍的意圖。在附圖和下文的描述中，應(yīng)了解相似的附圖標(biāo)記指代相似功能的部件。
[0013]單數(shù)形式“一”，“該”，和“所述”包括多個參考物，除非上下文清楚地表示為其它情況。
[0014]由諸如“大約”和“基本上”的一個或多個術(shù)語修飾的值并不限于所規(guī)定的精確值。
[0015]應(yīng)當(dāng)指出的是本文所用的這些術(shù)語中的許多術(shù)語是相對術(shù)語。例如，術(shù)語“內(nèi)部”、“外部”、“向內(nèi)”和“向外”是相對于中心，并且不應(yīng)被理解為需要該結(jié)構(gòu)的特定取向或位置。
[0016]術(shù)語“水平”和“豎直”用于指示相對于絕對參考(例如地平面)的方向。然而，這些術(shù)語不應(yīng)理解為需要結(jié)構(gòu)絕對平行或絕對垂直于彼此。例如，第一豎直結(jié)構(gòu)和第二豎直結(jié)構(gòu)未必彼此平行。
[0017]術(shù)語“平面”在本文中用于總體上指共同水平，并且應(yīng)被理解為參考體積，而不是平坦表面。
[0018]就太陽能接收器、鍋爐和/或蒸汽發(fā)生器技術(shù)的某些術(shù)語或原理的解釋可能是理解本公開所必需的而言，讀者可參考以下文獻:Steam/its generat1n and use,第40版，Stultz 和 Kitto 編輯，版權(quán) 1992，The Babcock&ffilcox Company,和參考 Steam/itsgenerat1n and use,第 41 版，Kitto 和 Stultz 編輯，版權(quán) 2005，The Babcock&ffilcoxCompany,其文本通過參考以全文引用的方式并入到本文中。
[0019]參考圖1，發(fā)電設(shè)施包括聚光型太陽能發(fā)電(CSP)系統(tǒng)，其具有加壓流化床熱交換器和可選的額外燃燒器以生成用于驅(qū)動燃氣渦輪的壓縮空氣(或者高壓的其它工作流體，諸如蒸汽)。太陽能接收器I從太陽能接收器I周圍的定日鏡場接收熱通量。為了提供定日鏡場的直接視線角，太陽能接收器I可以支承于高位置，例如在塔架16上，塔架16可以例如在數(shù)百英尺高度處，但設(shè)想到更大或更小的高度。來自定日鏡場的熱通量加熱在太陽能接收器I中的固體粒子。太陽能接收器被設(shè)計成將固體粒子加熱到所希望的熱溫度，例如在某些實施例中設(shè)想到在大約800°C或更大。例如，在2013年10月3日公開的Ma的美國公開N0.2013/0257056 Al (該公開以其全文引用的方式并入到本文中)中和在2013年10月3日公開的Ma等人的美國公開N0.2013/0255667 Al (其以引用的方式并入到本文中)和Maryamchik等人在2014年4月10日提交的美國序列號“ 14/250，160”(其以全文引用的方式并入到本文中)“Concentrated Solar Power Solids-Based System” 中以說明性示例的方式公開了某些合適的太陽能接收器設(shè)計。在一合適實施例(在圖1插圖中示出)，太陽能接收器I包括環(huán)形體積Va，顆粒固體粒子能通過環(huán)形體積％向下流動，這還包括導(dǎo)光管?Υ(在插圖中以環(huán)形體積Va的局部剖視圖示出)，導(dǎo)光管T 環(huán)形體積的外表面中具有孔口 Ta以從定日鏡場接收光，并且伸入到環(huán)形體積Va內(nèi)使得向下流動的顆粒固體粒子經(jīng)過導(dǎo)光管以吸收太陽熱能。在向下通過太陽能接收器I之后，熱粒子在固體收集器2中收集。圖1示意性地示出了這種收集器2 ;在某些實施例中，收集器2是環(huán)形元件以便從環(huán)形太陽能接收器I的整個圓周收集粒子。
[0020]太陽能接收器I和收集器2并非加壓部件，并且在大氣壓下操作。收集器2在其下端口處通過重力進給到立管3內(nèi)，而立管3又通過重力進給到熱筒倉4，熱筒倉4用作儲集器，儲集器提供熱能儲存以在日落后便于設(shè)施操作。此外，然而立管3向在其下端即在熱筒倉4中的粒子提供加壓。由立管3中的固體粒子柱來提供在太陽能接收器I與熱固體儲存裝置(例如，筒倉4)之間的壓力密封。壓力密封是根據(jù)立管3中的固體粒子柱的高度、操作溫度、粒子材料和粒子的幾何性質(zhì)(例如，填充因子)決定的。通過確保固體粒子在填充床狀態(tài)中沿著管向下移動而提供合適密封，即不使立管中的粒子