用于相变材料太阳能接收器的流量控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本文公开的实施方式总体上涉及聚光太阳能发电(“CSP”)技术，并且更特别地涉及用于CSP技术的接收器流量控制系统及方法，用于CSP技术的接收器流量控制系统及方法利用在开放或部分开放的传热材料回路内经历固体至液体相变的传热材料。
【背景技术】
[0002]聚光太阳能发电(CSP)系统利用太阳能驱动热动循环以产生电力。CSP技术包括但不限于抛物线型槽式系统、线性菲涅耳式系统、中央接收器或“发电塔”式系统、以及碟式/发动机式系统。对CSP的相当大的兴趣是由可再生能源配额制和西班牙的可再生能源电价补贴驱动的，可再生能源配额制适用于美国西南部的能量提供者。CSP系统通常部署为大型集中的发电厂以利用经济规模。
[0003]先前公开的CSP系统通常利用油、熔盐或蒸汽来将太阳能从太阳能接收器传递至发电块(power generat1n block)。这些传热材料通常在管或输送管的系统中作为气体或液体流动并且因而普遍地称为“传热流体”。通常传热流体流动通过热交换器装置以将单独的“工作流体”加热至工作温度，该“工作流体”然后用于发电循环以驱动涡轮并且产生电力。
[0004]现有接收器设计通常包括为封闭的传热流体回路的部分的接收器管道。封闭的回路在正常工作期间通常不对环境大气开放并且因此包括基本封闭的一组管、导管、泵、阀和其他元件。相应地，固定流量的传热流体进入和离开接收器，因为传热流体回路的封闭特性使通过接收器的传热流体的体积守恒并且不允许另外的体积进入接收器。因此，在常规的传热流体设计中，离开接收器的传热流体流量必须等于传热流体入口流量。因此，封闭的传热流体回路允许从如给送接收器的泵的单个点相对简单地控制接收器内的传热流体流量。
[0005]一些CSP系统和接收器设计可以以固体传热材料为特征。一个已知的系统以下落的固体颗粒为特征，下落的固体颗粒通过集中的太阳辐射通量照射和加热，正如Evans等人在 1985 年的 Sandia 报告 SAND85-8249 的 “Numerical Modeling of a Solid ParticleSolar Central Receiver”(固体颗粒的太阳能中央接收器的数值模拟)描述的。固体颗粒CSP设计可以产生更高的理论最大温度，并且因此可以利用更高的理论发电循环效率。遗憾的是，固体颗粒接收器系统的对流损失因为下落颗粒和接收器内的空气的相互作用在大部分中是高的。如果使用窗来限制空气和颗粒的相互作用，产生了其他设计挑战，这会影响整个系统效率，例如，窗吸收率。此外，在太阳能接收器中窗的使用增加了保持可接受窗户透明度和避免破裂的难度。
[0006]在美国专利4，469，088中描述了具有限制在接收器内的固液相变材料的抛物线型太阳能槽。该固液相变材料设计允许同时加热单独的、静止的热能储存材料和传热流体。然而，由于在该设计中热能储存材料与传热流体之间的热交换相对于绝缘的中央储存装置必须发生在接收器自身中，因此限制了总系统效率，因为抑制了在装料、卸料和稳定操作期间的总热损失。
[0007]在W.Steinmann 和 R.Tamme 在 Journal of Solar Energy (太阳能工程期刊(2008) 130 (I)的 “Latent heat storage for solar steam systems” ( “用于太阳能蒸汽系统的潜热储存”)的美国专利4，127，161中描述了采用具有固液相变的材料的CSP塔和槽系统。然而，在这些系统中，热储存系统物理上远离接收器，从而导致固有的瞬态系统特性和复杂的操作步骤以及通过间接热交换器的使用的热降解(heat degradat1n)。
[0008]以将固体至液体相变材料作为传热流体为特征的系统不能通过闭环传热流体回路方便地实施。因此，在固体至液体相变材料接收器中的传热流体流量控制会存在问题。
[0009]本文描述的实施方式旨在克服包括但不限于上文讨论的问题的一个或更多个技术限制。
【发明内容】
[0010]本文公开的一些实施方式包括聚光太阳能发电(CSP)系统和用于CSP系统的太阳能接收器，用于CSP系统的太阳能接收器构造成提供入口传热材料流量控制和出口传热材料流量控制。公开的实施方式以开放的传热流体回路为特征。一些实施方式可以利用将固液相变材料作为传热材料来实施。替代性实施方式包括在CSP系统中的传热材料流量控制的方法以及如本文所述构造的CSP系统。
[0011]一个实施方式是具有一个或更多个接收器管道的太阳能接收器，其中，每个管道具有各自的或共用的入口和出口。在使用中，每个接收器管道的部分通常竖向定向并且放置在集中的太阳能照明的区域内。固相或液相传热材料给送至接收器管道入口中。压力平衡管设置成与每个接收器管道的与入口相对的出口流体连通。压力平衡管或多个压力平衡管包括立管部，立管部通常上升到太阳照射区域的顶部上方的点。压力平衡管终止于出口，出口提供液体传热材料进入流槽或其他液体收集系统的流。在压力平衡管的出口与流槽之间设置有间隙，该间隙提供了压力平衡管的上部与一个或更多个接收器管道的入口之间的被动压力平衡。在一些实施方式中，压力平衡管还包括在下部处的排放口，该排放口用于提供补充压力平衡。
[0012]因此，液体传热材料可以在没有影响接收器管道中的液位的情况下从压力平衡管的上部流动至传热流体回路的其他部分。因此，压力平衡管提供液相或固相传热材料进入接收器的流量与液相传热材料离开接收器的流量的被动平衡。
[0013]替代性实施方式是具有一个或更多个接收器管道的太阳能接收器，其中，每个管道具有各自的或共用的入口和出口。在使用中，每个接收器管道的部分通常竖向定向并且放置在集中的太阳照射的区域内。固相或液相传热材料给送至接收器管道入口中并且加热后的液相传热材料从接收器管道流动通过一个或更多个出口。太阳能接收器还包括至少一个阀和液位传感器，所述至少一个阀与接收器管道操作性地相关联，液位传感器也与接收器管道操作性地相关联。液位传感器提供对接收器管道内的液体传热材料的液位的感测。液位传感器还提供对阀的反馈以选择性地控制一个或更多个接收器管道内的液体传热材料的液位。以这种方式，固体传热材料进入太阳能接收器中的流量和液体传热材料离开接收器的流量可以平衡，并且接收器管道内的液体传热材料的液位可以保持在太阳照射区域内。
[0014]本文公开的替代性实施方式包括下述CSP系统，所述CSP系统包括具有如上所述的流量控制装置的太阳能接收器。
[0015]其他替代性实施方式包括使用上述系统控制包括太阳能接收器的传热材料回路内的固液相变传热材料的流量的方法。
[0016]其他替代性实施方式是使用本文所述系统发电的方法。
【附图说明】
[0017]图1是太阳能接收器的示意图，其中，流量控制通过液位传感器和阀提供。
[0018]图2是太阳能接收器的示意图，其中，流量控制通过压力平衡管道提供。
[0019]图3是太阳能接收器的替代性图示，其中，流量控制通过图2的压力平衡管道提供。
[0020]图4A是太阳能接收器管道和相关元件的示意图，其中，流量控制通过压力平衡管道的替代性实施方式提供，图4A示出了流动通过接收器的传热材料。
[0021]图4B是太阳能接收器管道和相关元件的示意图，其中，流量控制通过压力平衡管道的替代性实施方式提供，图4B示出了在接收器内保持平衡的传热材料的液位。
[0022]图5是以通过一个或更多个压力平衡管道提供流量控制为特征的太阳能接收器的等距视图。
[0023]图6是图5的太阳能接收器的侧视示意图。
[0024]图7是聚光太阳能发电(CSP)系统的示意图。
[0025]图8是替代性CSP系统的示意图。
[0026]图9是以小珠状固相传热材料为特征的替代性CSP系统的示意图。
[0027]图10是以矩形短条固相传热材料为特征的替代性CSP系统的示意图。
[0028]图11是以圆形截面短条或棒类固相传热材料为特征的替代性CSP系统的示意图。
【具体实施方式】
[0029]除非另有说明，否则说明书和权利要求书中使用的表示要素的数量、尺寸、反应条件等的所有数字应被理解为在所有情况下通过术语“大约”进行修改。
[0030]在本申请和权利要求书中，除非另有特别说明，否则单数的使用包括复数。此外，除非另有说明，否则“或”的使用意指“和/或”。另外，术语“包括”以及其他形成如“包括了”和“被包括”的使用不是限制性的。此外，除非另有特别说明，否则术语如“元件”或“部件”包含包括了一个单元的元件和部件以及包括了多于一个单元的元件和部件的元件和部件两者。
[0031]本文公开的一些实施方式包括以使用固液相变材料作为传热材料为特征的CSP系统。在公开的系统中，固液相变发生在开放的传热材料回路中的一些点处。在一些实施方式中，相变发生在太阳能接收器内。在其他实施方式中，固液相变发生在热能储存系统或传热材料回路的其他元件或位置中。本文公开的其他实施方式以开放的传热材料回路为特征但可以不必定利用固液相变材料作为传热材料。
[0032]本文使用术语“传热材料”而不是更通常使用的“传热流体”，因为在所述系统的一些阶段中，传热材料作为非流体的固体被移动、储存或利用。开放的传热材料回路在本文中限定为在一些点处向环境大气开放或向在正常操作期间在环境或回路入口