公开了一种将热能路径和化学能路径耦合的CSP系统。热路径利用传热流体以在中温下收集聚集的太阳光作为热能，并且将该能量传递至热-电动力循环。并行地，化学路径利用在接收器中经历直接光致还原的氧化还原材料以将太阳能存储为化学势。然后这种氧化还原材料在与热路径热交换器串联的动力循环中在很高的温度下氧化。这种耦合使得接收器能够使目前工艺水平的典型的热电塔以高效率运行，同时实现典型的天然气燃烧设备的动力循环效率并且实现很高的总的太阳能至电能的转换效率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文中公开的实施方案包括聚光太阳能发电（"CSP"）（也被称为太阳能热发电） 的领域的系统和方法。所公开的系统和方法一般地利用两个并行耦合的能量路径，一个热 路径和一个化学路径，以将太阳能高效地转换成电能。具体地，所公开的实施方案包括与独 立的化学储能材料连通的太阳能接收器和在独立的路径中流动或传输的传热流体。化学储 能材料在接收器处经受低温光致还原。另外，传热流体（"HTF"）在太阳能接收器处被加热 至工作温度。化学储能材料和HTF被用于驱动在相对高的温度下工作的动力循环，这是因 为在HTF冷却的同时化学储能材料氧化放热，或者HTF冷却与化学储能材料氧化放热顺序 进行。
技术介绍
聚光太阳能技术一般可以分成用于发电的热系统和用于燃料生产和化学处理的 化学系统。在利用不同类型的反射器配置例如槽、盘和定日镜的
中，热CSP设备的 变型是已知的。已知的CSP系统利用许多可替代的传热流体例如油、熔融盐和蒸气，并且可 以被用于驱动各种动力循环，例如蒸气兰金（Rankine)循环、超临界蒸气兰金循环、以及超 临界二氧化碳布雷顿（Brayton)循环。 现有工艺水平的高温CSP塔以例如在美国专利申请2008/0302314中示出的直接 蒸气生成塔和例如在美国专利申请2008/0000231中示出的熔融硝酸盐塔作为代表。这些 类型的塔通常在高达约600°C的温度下工作。用高于600°C的工作温度可以实现较大的发 电效率。利用常规的CSP策略难以实现超过600°C的工作温度。 已经以若干形式提出了用于驱动化学反应的聚光太阳能塔。一个已知的想法利用 聚集的太阳光生成热以分解生物质，例如在美国专利申请2010/0249468中描述的。另一已 知的方法特征在于利用聚集的太阳光使水通过与催化剂的相互作用而经历光分解，例如在 美国专利4, 045, 315中描述的。其他的技术利用聚集的太阳光和还原/氧化循环以由水产 生氢气或由二氧化碳产生一氧化碳气体，例如在美国专利申请2009/0107044中描述的。前 述化学方法不是特别适合利用已知的基于动力循环的动力涡轮机来发电。 使聚光太阳能发电系统的发电设备的效率最大化很重要，这是因为对于相同的净 能量产量其通过需要较小的太阳能场和接收器而使整个系统的资金成本减少。在聚光太阳 能发电塔中，总的太阳能至电能的效率为太阳能场效率、接收器（太阳能至热能）效率、存 储效率、以及动力循环（热能至电能）效率的乘积。热能至电能转换系统在可比较的温度 下与化石燃料系统非常相似，然而，由于较低的工作温度，太阳能动力循环的转换效率通常 比联合循环燃气设备的转换效率小得多。 本文中公开的实施方案旨在为了克服上面讨论的一个或更多个问题。
技术实现思路
本文中公开的实施方案包括耦合有热能路径和化学能路径的聚光太阳能发电 (CSP)系统和方法。热路径利用传热流体以在中温下收集聚集的太阳光作为热能，并且将该 能量传递至热-电动力循环。并行地，化学路径利用在接收器中经历直接光致还原的氧化 还原材料以将太阳能存储为化学势。然后这种氧化还原材料在与热路径热交换器串联的动 力循环中在很高的温度下氧化。这种耦合使得接收器能够使目前工艺水平的典型热电塔以 高效率运行，同时实现典型的天然气燃烧设备的动力循环效率并且实现很高的总的太阳能 至电能的转换效率。所公开的一种实施方案为一种CSP系统，其包括：太阳能接收器，其配置成接收聚 集的太阳能通量；以及一定量的传热流体（HTF)，其与太阳能接收器热连通使得聚集的太 阳能通量加热HTF。该系统还包括与HTF热连通的热交换器，所述热交换器提供HTF与发电 循环的工作流体之间的热交换。另外，该系统还包括在耦合到热路径的化学路径中流动的 化学储能材料。化学储能材料还与太阳能接收器连通使得聚集的太阳能通量使一定量的化 学储能材料在氧化还原反应的还原部分中还原。因而，化学储能材料能够可替代地被称为 氧化还原材料。所述系统还包括与化学储能材料连通的氧化器，所述氧化器提供化学储能材料的 放热氧化并且还提供化学储能材料与动力循环的工作流体之间的热交换。因而，该系统利 用并行能量路径，一个热路径和一个化学路径。耦合在太阳能接收器处的两个路径的使用 得到了高效率的CSP设备。该系统还可以包括与HTF管道可操作地关联的热能存储。另外，该系统可以包括 独立的化学能存储，其包括：从太阳能接收器可操作地接收经还原的化学储能材料的还原 的化学存储系统；和/或从氧化器接收经氧化的化学储能材料的氧化的化学存储系统。 本文中公开的可替代的实施方案包括一种具有一定步骤的发电方法，所述一定步 骤可以以任意合适的顺序执行并且通常以循环的方式执行。该方法实施方案通过提供配置 成接收聚集的太阳能通量的太阳能接收器开始。任意合适类型的HTF与太阳能接收器以流 动、传输或者以其他方式热连通，在太阳能接收器中用聚集的太阳能通量对HTF进行加热。 然后经加热的HTF在传热流体管道中从太阳能接收器流动或传输至热交换器。在热交换器 中，经加热的传热流体与动力循环的工作流体之间进行热交换。 在并行循环中，与太阳能接收器连通的化学储能（氧化还原）材料受聚集的太阳 能通量辐射，因此使得一定量的化学储能材料还原。然后经还原的化学储能材料在太阳能 接收器和氧化器元件之间流动和传输。在氧化器中，化学储能材料被氧化使得释放热能。释 放的热能与动力循环中的工作流体进行交换。然后可以利用动力循环的经加热的工作流体 进行发电。公开的实施方案均以热能路径和化学能路径双路径为特征。可以以任意类型的聚 光太阳能发电装置并且可以用任意类型的一个或多个发电循环来实施该实施方案。【附图说明】 图1为不出现有技术CSP系统的简化的系统不意图。 图2为示出如本文中所描述的具有热能路径和化学能路径的系统的一个实施方 案的简化的系统示意图。 图3为示出氧化还原循环的示意图。图4为示出适合于利用本文中公开的系统实施的代表性的动力循环的简化的动 力循环示意图。 图5为示出本文中公开的耦合的路径是如何减少辐射损失的简化的接收器示意 图。图6为示出可替代的接收器的设计的简化的系统示意图。 图7为如本文中所公开的代表性的方法的流程图表示。【具体实施方式】 除非另外指出，否则在说明书和权利要求中使用的表示成分的量、尺寸、反应条件 等的所有数字将被理解为在所有情况下都可以由术语"约"来修饰。 在本说明书和权利要求中，除非另外地指出，否则单数的使用包括复数。另外，除 非另外地指出，否则"或"的使用意指"和/或"。此外，术语"包括"以及其他形式例如"包 含"和"含"的使用是非限制性的。此外，术语例如"元件"或"部件"包括：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两者，除非具体地另外指出。 如上所述，在与联合循环燃气发电设备相比较时，已知的CSP系统通常在明显较 低的总体效率下工作。CSP系统的降低的效率主要是由于较低的工作温度。为了使总体的 太阳能电厂效率最大化，有利的是利用能够将循环燃气系统与CSP设备结合的高效动力循 环，假设这可以实现而不损害CSP设备的平衡。这个目标无法在目前工艺水平的太阳能发 电塔（例如硝酸盐塔或过热蒸气塔）中实现。在本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚光太阳能发电系统，包括：太阳能接收器，其被配置成接收聚集的太阳能通量；传热流体，其与所述太阳能接收器热连通使得聚集的太阳能通量对一定量的所述传热流体进行加热；热交换器，其与所述传热流体热连通，所述热交换器设置为用于所述传热流体与动力循环的工作流体之间的热交换；传热流体管道，其设置为用于传热流体在所述太阳能接收器与所述热交换器之间的流动或传输；化学储能材料，其与所述太阳能接收器连通使得聚集的太阳能通量使一定量的所述化学储能材料还原；氧化器，其与所述化学储能材料连通，所述氧化器设置为用于氧化所述化学储能材料并且还用于在所述化学储能材料与所述动力循环的所述工作流体之间的热交换；以及化学储能材料管道，其设置为用于化学储能材料在所述太阳能接收器与所述氧化器之间的流动或传输。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢克·埃里克森，拉塞尔·穆伦，
申请(专利权)人：阿文戈亚太阳能有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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