[發(fā)明專利]耦合的化學(xué)-熱太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)及其方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380053970.1
• 申請(qǐng)日: 2013-10-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104884874A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 盧克·埃里克森;拉塞爾·穆倫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 阿文戈亞太陽(yáng)能有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): F24J2/04
• 分類號(hào): F24J2/04;F24J1/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;顧晉偉

技術(shù)領(lǐng)域

本文中公開(kāi)的實(shí)施方案包括聚光太陽(yáng)能發(fā)電(“CSP”)(也被稱為太陽(yáng)能熱發(fā)電)的領(lǐng)域的系統(tǒng)和方法。所公開(kāi)的系統(tǒng)和方法一般地利用兩個(gè)并行耦合的能量路徑，一個(gè)熱路徑和一個(gè)化學(xué)路徑，以將太陽(yáng)能高效地轉(zhuǎn)換成電能。具體地，所公開(kāi)的實(shí)施方案包括與獨(dú)立的化學(xué)儲(chǔ)能材料連通的太陽(yáng)能接收器和在獨(dú)立的路徑中流動(dòng)或傳輸?shù)膫鳠崃黧w?；瘜W(xué)儲(chǔ)能材料在接收器處經(jīng)受低溫光致還原。另外，傳熱流體(“HTF”)在太陽(yáng)能接收器處被加熱至工作溫度?；瘜W(xué)儲(chǔ)能材料和HTF被用于驅(qū)動(dòng)在相對(duì)高的溫度下工作的動(dòng)力循環(huán)，這是因?yàn)樵贖TF冷卻的同時(shí)化學(xué)儲(chǔ)能材料氧化放熱，或者HTF冷卻與化學(xué)儲(chǔ)能材料氧化放熱順序進(jìn)行。

背景技術(shù)

聚光太陽(yáng)能技術(shù)一般可以分成用于發(fā)電的熱系統(tǒng)和用于燃料生產(chǎn)和化學(xué)處理的化學(xué)系統(tǒng)。在利用不同類型的反射器配置例如槽、盤(pán)和定日鏡的技術(shù)領(lǐng)域中，熱CSP設(shè)備的變型是已知的。已知的CSP系統(tǒng)利用許多可替代的傳熱流體例如油、熔融鹽和蒸氣，并且可以被用于驅(qū)動(dòng)各種動(dòng)力循環(huán)，例如蒸氣蘭金(Rankine)循環(huán)、超臨界蒸氣蘭金循環(huán)、以及超臨界二氧化碳布雷頓(Brayton)循環(huán)。

現(xiàn)有工藝水平的高溫CSP塔以例如在美國(guó)專利申請(qǐng)2008/0302314中示出的直接蒸氣生成塔和例如在美國(guó)專利申請(qǐng)2008/0000231中示出的熔融硝酸鹽塔作為代表。這些類型的塔通常在高達(dá)約600℃的溫度下工作。用高于600℃的工作溫度可以實(shí)現(xiàn)較大的發(fā)電效率。利用常規(guī)的CSP策略難以實(shí)現(xiàn)超過(guò)600℃的工作溫度。

已經(jīng)以若干形式提出了用于驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)的聚光太陽(yáng)能塔。一個(gè)已知的想法利用聚集的太陽(yáng)光生成熱以分解生物質(zhì)，例如在美國(guó)專利申請(qǐng)2010/0249468中描述的。另一已知的方法特征在于利用聚集的太陽(yáng)光使水通過(guò)與催化劑的相互作用而經(jīng)歷光分解，例如在美國(guó)專利4,045,315中描述的。其他的技術(shù)利用聚集的太陽(yáng)光和還原/氧化循環(huán)以由水產(chǎn)生氫氣或由二氧化碳產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w，例如在美國(guó)專利申請(qǐng)2009/0107044中描述的。前述化學(xué)方法不是特別適合利用已知的基于動(dòng)力循環(huán)的動(dòng)力渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電。

使聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備的效率最大化很重要，這是因?yàn)閷?duì)于相同的凈能量產(chǎn)量其通過(guò)需要較小的太陽(yáng)能場(chǎng)和接收器而使整個(gè)系統(tǒng)的資金成本減少。在聚光太陽(yáng)能發(fā)電塔中，總的太陽(yáng)能至電能的效率為太陽(yáng)能場(chǎng)效率、接收器(太陽(yáng)能至熱能)效率、存儲(chǔ)效率、以及動(dòng)力循環(huán)(熱能至電能)效率的乘積。熱能至電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在可比較的溫度下與化石燃料系統(tǒng)非常相似，然而，由于較低的工作溫度，太陽(yáng)能動(dòng)力循環(huán)的轉(zhuǎn)換效率通常比聯(lián)合循環(huán)燃?xì)庠O(shè)備的轉(zhuǎn)換效率小得多。

本文中公開(kāi)的實(shí)施方案旨在為了克服上面討論的一個(gè)或更多個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本文中公開(kāi)的實(shí)施方案包括耦合有熱能路徑和化學(xué)能路徑的聚光太陽(yáng)能發(fā)電(CSP)系統(tǒng)和方法。熱路徑利用傳熱流體以在中溫下收集聚集的太陽(yáng)光作為熱能，并且將該能量傳遞至熱-電動(dòng)力循環(huán)。并行地，化學(xué)路徑利用在接收器中經(jīng)歷直接光致還原的氧化還原材料以將太陽(yáng)能存儲(chǔ)為化學(xué)勢(shì)。然后這種氧化還原材料在與熱路徑熱交換器串聯(lián)的動(dòng)力循環(huán)中在很高的溫度下氧化。這種耦合使得接收器能夠使目前工藝水平的典型熱電塔以高效率運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)典型的天然氣燃燒設(shè)備的動(dòng)力循環(huán)效率并且實(shí)現(xiàn)很高的總的太陽(yáng)能至電能的轉(zhuǎn)換效率。

所公開(kāi)的一種實(shí)施方案為一種CSP系統(tǒng)，其包括：太陽(yáng)能接收器，其配置成接收聚集的太陽(yáng)能通量；以及一定量的傳熱流體(HTF)，其與太陽(yáng)能接收器熱連通使得聚集的太陽(yáng)能通量加熱HTF。該系統(tǒng)還包括與HTF熱連通的熱交換器，所述熱交換器提供HTF與發(fā)電循環(huán)的工作流體之間的熱交換。另外，該系統(tǒng)還包括在耦合到熱路徑的化學(xué)路徑中流動(dòng)的化學(xué)儲(chǔ)能材料。化學(xué)儲(chǔ)能材料還與太陽(yáng)能接收器連通使得聚集的太陽(yáng)能通量使一定量的化學(xué)儲(chǔ)能材料在氧化還原反應(yīng)的還原部分中還原。因而，化學(xué)儲(chǔ)能材料能夠可替代地被稱為氧化還原材料。

所述系統(tǒng)還包括與化學(xué)儲(chǔ)能材料連通的氧化器，所述氧化器提供化學(xué)儲(chǔ)能材料的放熱氧化并且還提供化學(xué)儲(chǔ)能材料與動(dòng)力循環(huán)的工作流體之間的熱交換。因而，該系統(tǒng)利用并行能量路徑，一個(gè)熱路徑和一個(gè)化學(xué)路徑。耦合在太陽(yáng)能接收器處的兩個(gè)路徑的使用得到了高效率的CSP設(shè)備。

該系統(tǒng)還可以包括與HTF管道可操作地關(guān)聯(lián)的熱能存儲(chǔ)。另外，該系統(tǒng)可以包括獨(dú)立的化學(xué)能存儲(chǔ)，其包括：從太陽(yáng)能接收器可操作地接收經(jīng)還原的化學(xué)儲(chǔ)能材料的還原的化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)；和/或從氧化器接收經(jīng)氧化的化學(xué)儲(chǔ)能材料的氧化的化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)。