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CN103717892A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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CN103717892A
CN103717892A CN201280033144.6A CN201280033144A CN103717892A CN 103717892 A CN103717892 A CN 103717892A CN 201280033144 A CN201280033144 A CN 201280033144A CN 103717892 A CN103717892 A CN 103717892A
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liquid
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拉塞尔·穆伦
卢克·埃里克森
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Abengoa Solar LLC
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Abstract

以利用固液相变传热材料（HTM）为特征的集中太阳能发电系统和方法，该系统和方法包括加热和熔化大量固体HTM的太阳能接收器。系统还包括提供在液体HTM与发电块的工作流体之间的热交换的、与太阳能接收器流体连通的换热器。系统和方法还包括与太阳能接收器和换热器流体连通的储热罐。储热罐被配置成从太阳能接收器接收液体HTM的一部分作为热能储存介质直接储存。因此，该系统以使用用作传热介质和热能储存介质二者的相变HTM为特征。

Description

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
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 solidParticle 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 heatstorage 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
本文所公开的某些实施方式包括集中太阳能发电（CSP）系统。CSP系统以使用固液相变传热材料（HTM）为特征。系统包括太阳能接收器，该太阳能接收器被配置成接收集中的太阳能通量以加热大量的固体HTM并且使固体HTM中的一部分熔化成液体HTM。系统还包括与太阳能接收器流体连通的换热器。换热器被配置成接收液体HTM并且提供在液体HTM与发电块的工作流体之间的热交换。换热器还提供液体HTM的固化。系统还包括提供经固化的HTM从换热器至太阳能接收器的传送的材料传送系统。
另外，系统实施方式包括与太阳能接收器和换热器流体连通的储热罐。储热罐被配置成接收来自太阳能接收器的液体HTM的一部分作为热能储存介质直接储存。因此，系统以使用用作传热介质和热能储存介质二者的相变HTM为特征。因此，可以避免在HTM与独立的热能储存介质之间的独立热能储存系统和换热器。
在一些实施方式中，系统还可以包括与固化级和太阳能接收器机械或流体连通的蓄冷罐。蓄冷罐提供对换热器下游的固体HTM的储存。
换热器元件可以以用于HTM和工作流体的独立路径来实施，使得两种流体流之间不出现物理接触。替选地，换热器可以以通过HTM与工作流体之间的直接物理接触来促进热交换的直接接触装置实施。换热器元件可以以一个或更多个热交换级来实施。在某些实施方式中，直接接触换热器可以包括造粒机。在其他实施方式中，多级换热器可以包括至少初级和固化级。固化级可以实施为坯料挤压或铸造设备。
系统实施方式可以以任何合适的材料作为HTM来实施，只要HTM在合适的温度呈现固液相变即可。例如，系统可以以铝合金作为HTM来实施。系统实施方式也可以以使用任何类型的电力循环和任何工作流体的任何类型的电力块来实施。例如，系统可以以超临界CO2（s-CO2）水或其他材料作为工作流体来实施。
在某些实施方式中，太阳能接收器元件可以包括被定向成基本上竖直的多个接收器管。材料传送系统提供固体HTM或者固体HTM和液体HTM的混合物到所述多个接收器管中的一个或更多个接收器管的开口的传送。另外，接收器管的一个或更多个出口提供来自接收器的经加热的液体HTM的流出。
系统实施方式可以包括如下太阳能接收器：其具有容纳处于与其他接收器管中的HTM的相不同的相的HTM的一个或更多个接收器管。例如，系统可以包括：具有基本上固相HTM的流的一个或更多个接收器管；容纳混合的固体和液体HTM的流的一个或更多个接收器管；以及容纳基本上液相HTM的流的一个或更多个接收器管。系统还可以包括支承太阳能接收器的塔。基于塔式的系统可以包括位于塔内并且被配置成提供HTM到接收器中的装载的固体和液体接收器料斗。
替选实施方式包括如上所述进行配置的太阳能接收器。
其他替选实施方式为发电的方法。方法实施方式包括如下步骤：提供固液相变HTM；将固体HTM置于被配置成接收集中的太阳能通量的太阳能接收器中；以及加热接收器中的固体HTM以使固体HTM熔化成液相。方法还包括将液体HTM的至少一部分储存在热能储热罐中。
方法还包括在液体HTM与发电块的工作流体之间交换热。热交换使工作流体被加热至工作温度并且还使液体HTM固化。用于热交换的液体HTM可以直接从太阳能接收器或热能储热罐或者二者供给。方法还包括用经加热的工作流体的能量来驱动发电循环。将固体HTM从换热器传送至太阳能接收器用于再次加热。
方法还可以包括在热交换之后将固体HTM储存在蓄冷罐中。如上所述，可以在单级或多级换热器中实现热交换和固化步骤。换热器元件可以以所述直接接触换热器或将HTM和工作流体保持为独立的流的换热器来实施。
附图说明
图1是集中太阳能发电（CSP）系统的示意图。
图2是替选CSP系统的示意图。
图3是以粒状固相传热材料（HTM）为特征的替选CSP系统的示意图。
图4是以矩形坯料固相传热材料（HTM）为特征的替选CSP系统的示意图。
图5是以圆形截面坯料或杆型固相传热材料（HTM）为特征的替选CSP系统的示意图。
图6是图4的CSP系统的固化级的示意图。
图7是在单级、直接接触换热器中的所选择的HTM与工作流体的建模温度分布的曲线图。
图8是在具有固化级的两级换热器中的所选择的HTM与工作流体的建模温度分布的曲线图。
图9是示出用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的流动模式的太阳能接收器配置的示意图。
图10是示出用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的流动模式的替选太阳能接收器配置的示意图。
图11是示出用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的流动模式的替选太阳能接收器配置的示意图。
图12是示出用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的流动模式的替选太阳能接收器配置的示意图。
图13是示出用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的流动模式的替选太阳能接收器配置的示意图。
图14是示出用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的流动模式的替选太阳能接收器配置的示意图。
图15是以用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的独立接收器管为特征的太阳能腔式接收器的平面示意图，其中管被布置成提高效率。
图16是以用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的独立接收器管为特征的太阳能腔式接收器的平面示意图，其中管被布置成提高效率。
图17是以用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的独立接收器管为特征的太阳能腔式接收器的平面示意图，其中管被布置成提高效率。
图18是以用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的独立接收器管为特征的圆形接收器的平面示意图，其中管被布置成提高效率。
图19是以用于固体、混合的固体和液体以及液体HTM的独立接收器管为特征的圆形接收器的平面示意图，其中管被布置成提高效率。
图20是被配置成接收固体HTM的坯料的太阳能接收器的等角图。
图21是被配置成接收固体HTM的坯料的圆形太阳能接收器的等角图。
图22是被配置成接收磨碎的、切碎的或粒状固体HTM的圆形太阳能接收器的等角图。
图23是在选择的温度下操作的所公开的系统实施方式的投影系统效率的曲线图。
具体实施方式
除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示成分、尺寸反应条件等的量的所有数值要被理解成在所有实例中用术语“约”来修饰。
在本申请和权利要求中，除非特别说明，否则单数的使用包括复数。另外，除非另有说明，否则“或”的使用意味着“和/或”。此外，术语“包括（including）”以及诸如“包括（includes）”和“包括（included）”等的其他形式的使用不受限制。同样，除非特别说明，否则诸如“元件”或“部件”等的术语涵盖包含一个单元的元件和部件以及包含多于一个单元的元件和部件二者。
本文所公开的实施方式包括以使用固液相变材料作为传热材料（HTM）为特征的CSP系统。本文使用术语“传热材料”代替较常见的“传热流体”，原因是在某些实施方式中，所公开的实施方式的HTM作为非流体的固体被移动、储存和利用。
本文所定义的固液相变材料是在较冷的工作温度下以固相存在而在较热的工作温度下熔化成液相的材料。本文所公开的各种实施方式包括其中HTM和热能储存（TES）材料是同一材料的CSP系统。因此，可以避免在HTM与利用独立TES材料的独立TES系统之间的热交换。利用相变材料作为CSP系统的HTM和TES的一个优点为通过充分利用适当HTM/TES材料的潜热（latent heat）和显热（sensible heat）来实现高能量密度。通常可以通过充分利用相变转换的潜热储存而将适当HTM材料的能量储存密度提高一倍。
适于用作HTM的相变材料包括盐、有机聚合物和无机聚合物以及金属。特别地，HTM可以由硝酸盐、碳酸盐、溴化物、氯化物、氟化物、氢氧化物或硫酸盐、锌、硼、铍、铅、镁、铜、铝、锡、锑、锰、铁、镍或硅、任意金属的合金、塑料、蜡有机材料或者能够以显热和潜热形式储存热的以上材料中的任意材料的混溶或不混溶的混合物。HTM的具体选择由具体的应用需求确定。例如，在通常以约600℃以上的高温操作的系统中，可以将铝合金用作HTM，而在通常以约400℃的中等温度操作的系统中，硝酸盐可能是最合适的HTM。在通常200℃以下的更低温度下，水合盐和有机蜡可能是最合适的HTM。
本文所公开的各种实施方式中利用的HTM在处于固相时可以被处理成具有许多替选的形式、形状或结构中的一个或更多个。在所公开的实施方式中，HTM以至少部分为固相的形式被传送至太阳能接收器或其他太阳能集中装置。例如，HTM可以作为粒或粒状材料被传送至太阳能接收器。本文中所使用的“粒”为颗粒状和相对自由流动的材料。在替选实施方式中，HTM可以被处理并且作为挤压或铸造的固体坯料、圆柱形固体坯料或杆、切碎的固体、微粒或颗粒固体或者其他合适形式被传送至接收器。在某些实施方式中，可以将固体HTM与液体HTM混合，并作为浆料被传送至太阳能接收器。
下面描述几种具体的接收器设计。在每个实施方式中，太阳能接收器被配置成加热HTM并使至少一些固体HTM熔化。所公开的系统还包括与太阳能接收器流体和热连通并且直接或间接地从接收器接收液体HTM的一个或更多个换热器。换热器可以具有提供液体HTM与发电循环工作流体之间的热交换所需的任何类型或任何复杂等级。换热器还提供液体HTM的冷却和固化连同加热工作流体。
为了技术便利，描述了并且在图中以简单的示意性元件示出了换热器元件和其他子系统。商业系统的所有元件将以更复杂的装置来实施。
所公开的系统还包括材料传送系统，其提供固体HTM从换热器的出口到太阳能接收器的传送以用于再次加热。因此，HTM中的一些或全部经历包括如下相变的热循环：在太阳能被施加于HTM时的固体到液体的相变；以及在与工作流体交换能量时的液体到固体的相变。
图1和图2中示意性地示出了一个CSP系统10。系统10以使用以粒的形式储存在蓄冷罐或器皿14中的热循环最冷的部分处的固液相变HTM12为特征。尽管指定蓄“冷”罐14，但重要的是要注意术语“冷”是相对的。通常，蓄冷罐将容置处于仅略在HTM熔点以下的温度的固相HTM。因此，蓄冷罐14必须隔热并且由在期望的温度处适当耐用的材料制成。
用材料传送系统18将粒状HTM12移动至太阳能接收器16的入口。在太阳能接收器16中，集中的太阳光例如从定日镜20的场反射的太阳光加热HTM12，从而引起HTM中的至少一些的固体到液体相变并且可能使液态HTM另外加热。下面详细描述若干具体的接收器实施方式。尽管本文所描述的且在图中示出的实施方式主要涉及通过定日镜20的场而被照射的塔式安装接收器16，但本文所公开的系统和方法可以以替选CSP厂配置来实施。例如，本文所公开的系统和方法也可以以抛物面槽式、线性菲涅尔式或碟式CSP系统来实施。
在太阳能接收器16的下游，可以将液体HTM12暂时地储存在储热罐22中。储热罐22为系统10的初级TES，从而用于平衡系统瞬态响应并且将操作延伸至太阳能通量有限或不可用的时段，如傍晚或夜间。储热罐必须由如下材料制成：该材料提供隔热并且在接收器出口处的液体HTM预期的最高工作温度下稳定，如内衬有矾土砖的钢。如果将铝合金用作HTM，则针对铝冶炼操作所设计的储存罐可以改用作储热罐22。尽管在图中未示出，但应当理解，在商业实施中将包括合适的管道、管路和阀以使工厂操作者能够将热HTM导向储热罐22或从储热罐22导出，以在高太阳能通量时段期间完成TES储热或根据需要完成TES释热。由于热传递和热能储存用相同的PCM/HTM来实现，所以不存在由于在独立的热传递与热能储存流体之间放置换热器而引起的热劣化。
经加热的液体HTM12从太阳能接收器16的出口或从储热罐22的出口或者从太阳能接收器16的出口和储热罐22的出口二者中来获取，并且流经换热器装置24。在可以包括若干子元件或级的换热器24中，在HTM与发电块26的工作流体之间进行热交换。本文所公开的实施方式不限于任何特定类型的换热器24、发电块26或任何特定的工作流体。用某些类型的HTM可实现的高工作温度利于与较高温度的热力学发电循环例如超临界CO2（s-CO2）布雷登循环一起使用。所有类型的电力块26将包括通过经加热的工作流体进行操作以发电的一个或更多个涡轮机28。电力块26通常将包括如下电力块元件中的一些或全部：涡轮机28、压缩机、冷凝器、膨胀级、同流换热器、换热器以及相关联的管路、管道、阀和控制器。
换热器24可以包括独立的HTM和工作流体导管，使得在HTM和工作流体流没有物理混合的情况下在HTM与工作流体之间交换热。替选地，可以利用其中液体HTM直接与电力循环中的工作流体相互作用的直接接触换热器。在直接接触换热器中，HTM与工作流体之间的直接物理接触在液体HTM被固化时加热工作流体。一旦形成固体HTM，可以使用连续排渣处理将固体HTM与工作流体分离。然后可以使用固体传送系统18将固体HTM移动至蓄冷容器14和/或接收器16。
因此，换热器24相对于整个系统10提供两种重要功能。第一，换热器24提供待从HTM传递至工作流体以使得能够发电的热能。同时，换热器提供充分冷却HTM以使HTM固化的工作流体。在热传递期间出现的液体到固体相转换充分利用HTM的潜热以向工作流体传递比在工作流体热交换处理期间没有出现相变的系统中可能传递的能量多的能量。
如上所述，换热器元件可以包括多级。例如，如图3至图6所示，换热器可以包括在HTM与工作流体之间交换显热的同时HTM保持为液体的高温级29。换热器24还可以包括在与工作流体的热交换使HTM固化的同时预加热工作流体的固化级30。因此，对于HTM，固化级30在高温级29的下游；而对于工作流体，固化级30在高温级29的上游。
可以选择并实施换热器24的包括任何高温级29或固化级30的性质，以控制系统效率和固相下HTM所期望的形式两者。例如，在将固态HTM处理成粒的CSP厂的一个实施方式（图1至图2）中，换热器24可以实施为单级造粒机。在单级实施方式中，液体HTM如熔融铝直接与工作流体如s-CO2混合。由于两种流体相互作用，所以HTM冷却而工作流体获得热。最初（对于给定量的HTM），显热从液体HTM传递至较冷的工作流体。这在图7的曲线图中示为温度分布段702。图7示出了当能量从HTM传递至工作流体时、相变材料HTM和工作流体的相应温度分布。当HTM冷却至凝固温度时，HTM经历作为平坦温度分布段704示出的等温凝固过程。然后HTM进一步冷却为固体（温度分布段706）。由于在此示例中工作流体不改变相，因此在工作流体温度分布708中不存在等温部分。
在图7模型的左侧所示的初始HTM温度与最终工作流体温度之间的大的差距是不期望的，原因是如果工作流体温度较接近初始最热的HTM温度，则系统将会以较高效率工作。换热器元件24可以被配置成通过最小化该温度差距来增加整个系统的效率。
例如，图8的曲线图示出了用于在图7中进行建模的相同材料的但具有两级热交换器配置的温度分布。在图8曲线图的左侧，温度曲线段802和804示出了在非接触脱过热换热器中如图3至图6的高温级29所预期的HTM温度和工作流体温度。在该级中，工作流体的流率可以被设置成使各个材料的温度分布平行。图8曲线图的右侧示出了固化级30的HTM温度分布：在整个固化处理中为平坦段806，以及在固体冷却时温度进一步降低（温度分布段808）。因此，两级或多级热交换器配置使得能够优化电力循环效率。
如上所述，热交换设计可以被选择为提供具有特定形式或大小的固体HTM。例如，如图4至图6所示，可以将HTM制成经挤压或铸造的坯料32，将经挤压或铸造的坯料32储存在冷储存器14中并传送至接收器16。坯料、杆、铸锭或其他较大的固体形状特别适合其中HTM为金属或金属合金的实施方案。例如，铝合金或铝/硅共晶PCM合金可以被设计为具有适于在高温CSP设施中用作HTM的熔点，并且可以被方便地形成为用于在固相下自动传送的坯料。坯料32可以具有基本上矩形、圆形或其他期望的截面，并且可以具有为方便处理而需要的任何大小或长度。
在HTM被形成为坯料32或类似形状的系统10中，换热器24将包括可以以任何类型的坯料或杆铸造或挤压机构来实施的固化级30。固化级30通过工作流体来冷却，从而引起固化并且额外预加热工作流体。在图6中示出了代表性坯料铸造固化级30，其中所指示的温度表示与铝/硅共晶PCM/HTM和s-CO2工作流体相关联的工作温度。
在所有实施方式中，由一级、两级或多级换热器24生成的固化HTM可以通过固体传送系统18返回至接收器16或蓄冷容器14，从而建立连续循环。如图3至图5所示，固体传送系统18可以以机械输送机或其他机械升降系统来实施。替选地，固体输送18可以以螺旋或螺杆提升机、气动提升机或适用于输送固态物质的其他公知系统或机构来实施。
图3至图5的CSP系统10被示出为具有基本上完全以固相装载到接收器16中的HTM。替选地，在装载到接收器16中之前，固体HTM可以用太阳能进行预加热或者与液体HTM混合。具体地，使用粒状、颗粒、切碎或微粒形式的HTM提供了将HTM作为固体或浆料装载到接收器16中的机会。在任何实施方式中，最初以无论哪种形式提供的HTM可能经历在加热期间的一段时间内HTM的固体部分与液体部分一起流动的逐渐相变。
在为了与粒、颗粒、切碎或其他较小形状的固体HTF一起使用而优化的所选实施方式中，系统10可以包括如后面更详细讨论的泵34、固体接收器料斗36、液体接收器料斗38、混合器或混合点40、固体注入设备以及位于塔42中或非常接近塔42从而靠近接收器16的其他元件。固体接收器料斗36可以是与蓄冷容器14相同或独立的容器或器皿。混合点40可以是专用混合装置，或是可以发生混合的在两种材料流之间的简单接合点。
在图9至19的实施方式中，固态粒或其他相对小形状的HTM穿过一个或更多个混合点和接收器管，同时接收器管由集中的太阳能通量照射。取决于接收器管的布置，某些管可以容纳固体、液体或浆料形式的HTM。填充固体/浆料/液体的接收器管的各种布置在图9至图19示出并在下面进行描述。在任何系统实现中采用的具体实施方式将取决于可用的太阳能资源和相关联的电力块的大小。
在图9至图19中，将具有液相流的管标记为接收器管44。将容纳各种容积比的固液浆料的流体的管表示为接收器管46。将容纳通过重力、机械输送或者通过强制气体截流而移动的基本上固相的HTM流的管标记为接收器管48。
图9示出了将来自固化级30或蓄冷罐14的固体HTM从固体料斗36馈送至液体接收器料斗38的接收器流动配置。在通过液体接收器管44泵浦之前，固体HTM在液体料斗中熔化。在离开接收器16时，液体HTM流分为通向液体接收器料斗38的旁路线路50和通向储热罐22或换热器24（图9中未示出）的主线路52。
图10示出如下接收器流动配置：其中来自固体接收器料斗36的固体HTM与来自液体接收器料斗38的液体HTM在混合点40处混合以形成被引入接收器16的浆料。浆料流经其中通过太阳能通量来熔化浆料的接收器管46，随后流经液体接收器管44。HTM液体然后离开接收器16，其中流量分为通向液体接收器料斗38的旁路线路50和通向储热罐22或换热器24（图10中未示出）的主线路52。浆料流趋于增加接收器内部的热传递，使得能够减小接收器大小和表面温度，并且降低辐照损耗。
图11示出了具有如下接收器流动配置的另一实施方式：在该接收器流动配置中，固体HTM从固体接收器料斗36直接流动或移动至固体接收器管48。一旦已经通过太阳能通量来预加热固态HTM，就通过泵34来注入液体HTM并且在混合点40处形成浆料。该浆料流经浆料接收器管46，随后在另外的太阳能加热之后流经液体接收器管44。液体HTM然后离开接收器16，其中流量分为如上所述的旁路线路50和主返回线路52。
图12示出了具有如下接收器流动配置的另一实施方式：在该接收器流动配置中，固体从固体接收器料斗36直接流入固体接收器管48直到形成浆料为止，在此时HTM流经浆料接收器管46，随后随着HTM被加热而流经液体接收器管44。在离开接收器16之后，HTM直接移动至主线路52以用于下游储存或热传递。
图13示出如下替选接收器流动配置：其中固体HTM从固体接收器料斗36流出或移出，并且被允许在接收器管前面且在半透明下落护罩54中下落。固体HTF因而在其落入第二固体接收器料斗56时被预加热，然后依次移动通过基本上如上所述的固体接收器管48、浆料接收器管46和液体接收器管44。在离开接收器16时，完全加热的液体HTM直接流至主线路52以用于下游储存或热传递。
图14示出如下接收器流动配置：其中固体接收器料斗36中的固体HTM与不能混溶的二级流体57热相互作用。此二级流体流经二级流体接收器管58并且被加热至HTM熔点以下的温度。经加热的二级流体流回其通过直接接触与固体粒相互作用的固体储存料斗36。经预加热的固体粒然后与热的液体HTM在混合点40处混合，并且作为浆料流经浆料接收器管46，随后流经液体接收器管44。完全加热的HTM离开接收器16并如上所述进行流动。
如上所述，系统性能可能受HTM以各种相通过接收器管的管理式流动影响并被部分地控制。另外，如图15至图22所示，通过优化太阳能接收器的物理配置可以提高系统性能和效率。优化的接收器配置将取决于任意给定电厂的最终大小和太阳能资源。
如图15所示，腔式接收器16可以以承载固相HTM的如下接收器管48来实施：该接收器管48紧靠外腔壁的内侧定位，使得管48不被集中的通量照射而由来自其他管的再辐照能量60加热。填充浆料的接收器管46被置于最高浓度太阳能通量的区域中，而填充液体的管44被置于较低通量浓度的区域中。以此方式，太阳能主要用于完成处于熔化或凝固温度的浆料HTM的相变，这提高了整个系统的效率。
图16示出了如下腔式接收器16：其中固体流接收器管48沿外腔壁排列，使得它们不被集中的太阳能通量照射而仅被来自其他接收器管的再辐照能量60照射。填充浆料的管46被定位在腔体容积内，使得它们经受高度集中的通量并且部分地遮挡沿腔体的后壁排列的填充流体的接收器管44。
图17示出了如下腔式接收器16：其中固体流接收器管48沿外腔壁排列，使得它们不被集中的太阳能通量照射而仅被来自其他接收器管的再辐照能量60照射。固体颗粒的下落半透明护罩54跨腔体的位于高通量位置处的入口下落。填充浆料的管46位于腔体容积内部，使得它们经受高集度中的通量并且部分地遮挡沿腔体的后壁排列的液体流接收器管44。
图18示出如下外部接收器16：其中填充浆料的接收器管46布置在接收器16的具有较高通量浓度的部分上，而填充液体HTM的管44布置在接收器的具有较低通量浓度的部分上。
图19示出其中填充固体HTM的接收器管48布置在接收器16的由反射表面62共享的部分上的外部接收器16。接收器管48从而仅由再辐照和反射的能量60照射。填充浆料的管46布置在太阳能通量具有最高浓度的区域中。填充液体的接收器管44布置在太阳能通量较不集中的区域中。
如上所述，图15至图19所示的接收器布局中的每一个被配置成将接收器管或HTM护罩定位成通过以下方式来最小化热损耗：捕获并利用再辐照和反射的能量以及将在HTM的凝固/熔化点处的表面呈现给最高太阳能通量。
通常，接收器将太阳能辐照转换成热的效率由其工作温度、各种传热系数和在照射下的面积来确定。通过使用PCM作为HTM，可以将具有优异热性质的流体如金属以及有利的流态引入到接收器中。另外，具有较高热导率和密度的材料将趋于增加接收器的耐疲劳容限并且使接收器可以吸收的临界通量更高，从而减小整个接收器的大小。此外，如上所述，浆料流趋于增加接收器内部的热传递，使得能够减小接收器的大小和表面温度，并且减小通常与较高接收器工作温度相关联的辐照损耗。最后，由于传热和储存用同一HTM完成，所以不存在由于在独立的传热和热能储存流体之间放置换热器而产生的热劣化。
如上所述，某些实施方式使用如下固相HTM：其在热交换之后且在储存或重新插入到太阳能接收器16之前被铸造、挤压或以其他方式形成为相对大的形状。如图20至图22所示，可以优化接收器的物理布局以处理作为坯料、杆或其他大固体传送至接收器的HTM。
特别地，图20示出了例如可以在腔型接收器16中的最高太阳能通量的区域处列阵的接收器管64的平行阵列。接收器16与被配置成将坯料32竖直装载到每个接收器管64中的材料传送系统18相关联。坯料32可以连续地或根据需要进行装载。集中在接收器管64上的太阳能通量加热固体坯料HTM，引起从固体到液体的相变转换。液体HTM然后通过出口管66流出接收器16，以用于下游储存、热传递和能量生成。接收器管64的竖直布置提供坯料到接收器的顶部的方便的重力供给，同时液体HTM从底部流出。
图21示出了同样被配置成在顶部接收固体HTM坯料32的替选接收器16。图19的接收器包括接收器管64的圆形阵列。分发臂65围绕接收器旋转以将坯料装载到接收器管中。在已装载的管64内部，固体HTM被加热、熔化并且随后从接收器的底部流出，以用于下游热能储存、热传递和发电目的。
图22示出如下替选接收器16：其被具体配置成接收通过具有被配置为螺旋螺杆升降机的材料传送系统18的接收器本体而提升的并且被分发至接收器管64的颗粒状的、切碎的或粒状HTM。HTM在接收器管64中熔化并通过出口66流出接收器16，以用于下游热能储存、热传递和发电的目的。
以上所公开的各种实施方式全部以利用固液相变材料作为组合的HTM和TES材料为特征。如上所述，某些金属合金特别适用于作为HTM与所公开的系统一起使用。金属合金的熔点和凝固点可以被选择为使得HTM的热温度接近1000℃或在其以上。例如，如图23所示，可以选择具有760℃、860℃、960℃、1060℃、1160℃、1260℃或1360℃的热温度的金属合金相变材料HTM。选择或制造提供760℃以上的工作热温度的HTM使得能够使用更高效的发电循环。因此，如图23中的图形化表示，所投影的利用CSP可实现的整个电力循环效率显著提高。
本公开内容的各种实施方式还可以包括在权利要求中记载的各种元件的置换，就如同每个从属权利要求是合并有前述从属权利要求中的每一项和独立权利要求的限定的多项从属权利要求一样。这样的置换明确落入本公开内容的范围内。
尽管已经参照许多实施方式具体示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本文所公开的实施方式做出形式和细节的改变，并且本文所公开的各种实施方式并非旨在用作对权利要求的范围的限制。本文所引用的所有参考文献均通过引用而将其全部内容并入本文。

Claims (34)

1.一种集中太阳能发电系统，包括：
固液相变传热材料；
太阳能接收器，所述太阳能接收器被配置成接收集中的太阳能通量以加热大量固体传热材料并且使所述固体传热材料中的至少一部分熔化成液体传热材料；
换热器，所述换热器与所述太阳能接收器流体连通，所述换热器接收液体传热材料，并且提供在所述液体传热材料与电力循环的工作流体之间的热交换，所述换热器还提供所述液体传热材料的固化；
材料传送系统，所述材料传送系统提供固体传热材料从所述换热器到所述太阳能接收器的传送；以及
储热罐，所述储热罐与所述太阳能接收器和所述换热器流体连通，所述储热罐使用所述液体传热材料作为热能储存介质来提供热能储存。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括蓄冷罐，所述蓄冷罐与固化级和所述太阳能接收器机械或流体连通，所述蓄冷罐提供固体传热材料的储存。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换热器包括提供所述传热材料与所述工作流体之间的物理接触的直接接触换热器。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述换热器包括造粒机。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，输入至所述太阳能接收器的所述固体传热材料包括粒状传热材料与液体传热材料的浆料。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换热器包括多级换热器，所述多级换热器至少包括在所述液体传热材料与所述工作流体之间进行热交换的初级，以及在所述传热材料与所述工作流体之间的热交换使所述传热材料固化的固化级。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述固化级包括坯料制造装置。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，输入至所述太阳能接收器的所述固体传热材料包括固体坯料。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传热材料包含铝合金。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述工作流体包含s-CO2。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述材料传送系统包括机械输送机。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述太阳能接收器还包括：
容纳基本上固相的传热材料的流的一个或更多个接收器管；
容纳混合的固相和液相传热材料的流的一个或更多个接收器管；以及
容纳基本上液相的传热材料的流的一个或更多个接收器管。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：
支承所述太阳能接收器的塔；
固体接收器料斗，所述固体接收器料斗位于所述塔内并且被配置成提供固体传热材料到所述接收器中的装载；以及
液体接收器料斗，所述液体接收器料斗位于所述塔内并且被配置成提供液体传热材料到所述接收器中的装载。
14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述太阳能接收器还包括：
被定向成基本上竖直的多个接收器管，所述多个接收器管具有与提供待装载至所述多个接收器管中的一个或更多个接收器管中的固体传热材料的所述材料传送系统相关联的开口；以及
所述接收管的出口，所述接收器管的出口提供来自所述接收器的液体传热材料的流出。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述多个接收器管被布置成基本上圆形的阵列。
16.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述换热器相关联的电力块，所述电力块包括所述工作流体和多个发电部件。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述电力循环包括s-CO2布雷登热力学发电循环。
18.一种太阳能接收器，包括：
被定向成基本上竖直的多个接收器管；
材料传送系统，所述材料传送系统提供固体传热材料到所述多个接收器管中的一个或更多个接收器管中的开口的传送；以及
接收器管的出口，所述接收器管的出口提供来自所述接收器的液体传热材料的流出。
19.根据权利要求18所述的太阳能接收器，还包括：
容纳基本上固相的传热材料的流的一个或更多个接收器管；
容纳混合的固相和液相传热材料的流的一个或更多个接收器管；以及
容纳基本上液相的传热材料的流的一个或更多个接收器管。
20.根据权利要求19所述的太阳能接收器，其中，所述固相传热材料的流和所述液相传热材料的流在所述的容纳混合的固相和液相传热材料的流的一个或更多个接收器管的外部混合在一起。
21.根据权利要求19所述的太阳能接收器，还包括：
支承所述太阳能接收器的塔；
固体接收器料斗，所述固体接收器料斗位于所述塔内并且被配置成提供固体传热材料到所述接收器中的装载；以及
液体接收器料斗，所述液体接收器料斗位于所述塔内并且被配置成提供液体传热材料到所述接收器中的装载。
22.根据权利要求21所述的太阳能接收器，其中，所述固相传热材料在引入到所述的容纳基本上固相的传热材料的流的一个或更多个接收器管中之前被预加热。
23.根据权利要求22所述的太阳能接收器，其中，所述固相传热材料通过直接太阳能通量进行预加热。
24.根据权利要求22所述的太阳能接收器，其中，所述固相传热材料通过与二级传热流体的接触进行预加热。
25.根据权利要求19所述的太阳能接收器，其中，所述的容纳基本上固相的传热材料的流的一个或更多个接收器管被定位成远离直接太阳能通量，并且还被定位成通过来自其他接收器管的间接辐射被进行加热。
26.根据权利要求25所述的太阳能接收器，其中，所述的容纳混合的固相和液相传热材料的流的一个或更多个接收器管被定位成比所述的容纳基本上液相的传热材料的一个或更多个接收器管接收更高水平的太阳能通量。
27.根据权利要求18所述的太阳能接收器，其中，所述多个接收器管被布置成基本上圆形的阵列。
28.根据权利要求27所述的太阳能接收器，其中，所述材料传送系统包括旋转分发臂，所述旋转分发臂被配置成围绕所述接收器旋转以将坯料装载到所述圆形阵列的接收器管中。
29.一种发电方法，包括：
提供固液相变传热材料；
将固体传热材料置于被配置成接收集中的太阳能通量的太阳能接收器中；
加热在所述太阳能接收器中的所述固体传热材料的至少一部分以使所述固体传热材料熔化成液相；
将所述液体传热材料的至少一部分储存在热能储热罐中；
在所述流体传热材料与发电块的工作流体之间交换热以将所述工作流体加热至工作温度并且使所述液体传热材料固化；
用所加热的工作流体的能量来驱动发电循环；以及
将固体传热材料传送至所述太阳能接收器。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括将固体传热材料储存在与所述太阳能接收器机械或者流体连通的蓄冷罐中。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述固化步骤包括在直接接触换热器中使液体传热材料成为粒状。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，所述的输入至所述太阳能接收器的固体传热材料包括固体传热材料和液体传热材料的浆料。
33.根据权利要求29所述的方法，还包括从液体传热材料来制造固体传热材料的坯料。
34.根据权利要求29所述的方法，还包括用机械输送机将固体传热材料传送至所述太阳能接收器。
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