太阳能起源的热能储用高级能量效率之装置、系统和方法

太阳能起源的热能储用高级能量效率之装置、系统和方法
【专利摘要】一种用于储存和转移关联于入射太阳能辐射之热能的装置(1；10；11；12)，其系用于产生能量的太阳能工厂，而基于使太阳能辐射从上面会聚的光学工厂组态，并且该装置包括：容纳箱罩(2)；以及双重的可流体化颗粒床(31；32)，其接收在箱罩(2)里并且设置成一个接着一个，其中箱罩(2)具有至少一接收圆柱形腔穴(20)，其延伸经过颗粒床(3)并且具有用于接收定日镜场域所集中之太阳能辐射的开放顶部入口(21)以及在颗粒床之基底高度的开放或封闭底部(22)，整体设置系致使其中一颗粒床(31)乃设置成接触圆柱形腔穴(20)的侧裙(23)以用于储存从太阳能辐射所接收的热能，并且另一颗粒床(32)乃设置成接触由工作流体所贯穿的管束(41)。
【专利说明】太阳能起源的热能储用高级能量效率之装置、系统和方法

【技术领域】
[0001]本发明乃关于基于使用和储存太阳能而产生能量的工厂，以及关于适合用于此种工厂而储存和转移太阳能起源之热能的相关方法和装置。

【背景技术】
[0002]使用定日镜所集中的太阳能是此技艺所已知的。也已知有可能藉由基于暴露于定日镜所集中的太阳能辐射之流体化颗粒床的装置而储存不立即使用的热。
[0003]典型而言，用于储存太阳能起源之热能的装置和/或用于对应热交换的装置乃位在相对于定日镜场域之安装平面而为升高的位置，如此以从下面接收集中的太阳能辐射。因此，典型的组态提供置于塔结构上的储存或交换装置，而所谓的“服务”(service)构件可以在该结构中找到容身之处，基于镜子之定日镜的场域则安装在地面上。
[0004]基于此种装置而用于产生太阳能起源之热能/电能的工厂可以设想到一或更多个储存和/或交换单元，此取决于要获得的热功率。随着工厂功率增加，包含储存机构的装置重量便增加，而专用于每个装置的镜子数目也增加，据此则装置本身必须定位成保持镜子场域合理延伸的所在高度亦增加，以伴随着确保太阳能辐射系适当的集中其上。典型的工业工厂设想到储存和/或交换装置有极高数值的高度，该高度甚至超过100公尺。
[0005]已知工厂组态所出现的进一步关键点则连结到存在着高温操作的设备，其系由贵重而花费多的材料所做成，并且由于关联之更大热逸散的缘故而伴随着导致整体工厂效率减低。
[0006]刚才所述的已知工厂组态带来了显著的缺失，而这也连结到在高处维护操作的困难和成本，尤其需要较大的吊升机构。
[0007]再者，于装置具有可流体化颗粒床的情况，该装置本身的意外破裂则可以导致高温材料泄漏和因重力而掉落，并且危害人员和物品。
[0008]由于刚才所注意到的结果，用于储存和转移太阳能起源之热能的已知装置可以让发电成本仍然很高，并且无论如何离所谓的“同等电网”(parity grid)还很远。


【发明内容】

[0009]本发明背后的技术问题因此是要克服上面参考已知技艺所提到的缺失。
[0010]上面提到的问题是由根据权利要求1所述的装置和根据权利要求32所述的方法所解决。
[0011]本发明的较佳特色是附属权利要求的目标。
[0012]本发明提供用于储存和转移太阳能起源之热能的装置，其系基于由可流体化颗粒床所构成的固体储存机构。
[0013]该装置允许有高生产效率、低投资和维护成本、高操作安全性。这多亏了装置本身的建造简便性而有可能将它定位在地面上以提供从上面的太阳能照射而达成。
[0014]本发明的装置乃设计成定位在地面上，并且可以由反射光学系统来进行从上面的照射；举例来说，此系根据下文解释之所谓的“下束”(beam down)组态，或者仅将镜子或相等的机构定位在高处，譬如是在自然的斜率或是在专用的升高结构上。
[0015]根据较佳的工厂组态，也藉由将用于储存和转移之装置的专业建造成二或更多个所谓的“热类别”(thermal category)而获得上面提及的高生产效率和低成本，而每个类别关联于特定的温度和运行条件。
[0016]具有不同热类别的装置然后可以彼此在同一工厂中做有效的串联连接。于该背景下，本发明的装置适合插入做为用于产生电能和/或热能之工厂的基底模块，较佳而言用于服务热消耗，举例来说例如有利的是除盐系统。
[0017]就效率增加和成本减少而言，将装置的专业建造成热类别则允许有显著的优点，尤其当这些装置插入高功率发电厂时。
[0018]当插入高功率工厂时，关于本发明装置之专业的优点和连接模式乃于下文描述。
[0019]本发明的装置包括上面提及的可流体化颗粒床，其局限在箱罩里而与外部环境隔绝。箱罩较佳而言在其自己的外部表面是金属性和绝热的。该箱罩界定出一或更多个腔穴，其等延伸经过颗粒床并且接收来自上面之集中的太阳能辐射。腔穴的壁较佳而言是由金属和/或陶瓷材料所做的和/或所披覆的，并且不是绝热的。较佳而言，腔穴具有圆柱形或实质圆柱形的几何造型。
[0020]上面提及之每个接收腔穴的设置和组态乃允许使太阳能辐射的吸收达到最大，因此使用本发明装置之工厂的整体效率达到最大。
[0021]上面提及的可流体化颗粒床可以执行双重功能:储存转移自接收腔穴之壁的热，以及将此种热转移到进一步的热交换组件，该组件尤其是浸没于颗粒床中的管束或是无论如何由该床所触碰。
[0022]该等储存和转移步骤也可以选择性的和彼此独立的启动。这是藉由控制颗粒床之所选部分的流体化而有利的获得。
[0023]尤其，于较佳实施例，装置提供床有二个可独立流体化的区或部分；特定而言，床的第一部分接触接收腔穴并且指定成储存热能，而床的第二部分相邻于第一部分并且当中浸没着热交换管束(或相等的机构)，该管束则由工作流体，较佳而言为水所贯穿。
[0024]将该床的第一部分流体化而在接收腔穴和储存床之间发生热交换，而指定成热转移之床的第二部分可以仅于插入装置的工厂或设备是在产生能量的操作条件下才流体化。较佳而言，较靠近腔穴壁的第一部分区段是以相对于剩余的第一部分而有较大流体化速率来流体化，如下文更佳的描述。
[0025]于较佳组态，能够将太阳能辐射导入腔穴的光学系统乃包括了定日镜的场域，其将辐射集中在次要反射器上，它转而将此种辐射集中于流体化床装置的接收腔穴。较佳而言，次要反射器乃设置在塔上，或者无论如何是在升高的结构上，而用于储存和转移的装置乃设置(如所提及)在地面上，较佳而言其位置相对于次要反射器而言是在中央。
[0026]于另一相等较佳的组态，定日镜可以设置在自然的或人工的斜率，并且把太阳能辐射集中于适当设置在颗粒床中的一或更多个腔穴。
[0027]因此，集中的太阳能辐射从上面入射在流体化床内部的该腔穴或每个腔穴，并且较佳而言集中于该腔穴的中央区域。
[0028]如上所言，该接收腔穴或每个接收腔穴贯穿着可流体化床。腔穴的底部末端可以重合于该床的基底，而顶部末端可以界定出接收颗粒床之箱罩的顶部部分。腔穴的壁因此相对于外部环境来局限着床，而避免床和环境之间的直接接触。
[0029]如上所言，较佳而言腔穴具有圆柱形的几何造型。更佳而言，它的直径/高度比例所包括的范围在0.2?0.5。如下文将更详细示范，此种比例确保了高度吸收太阳能辐射，因此反射的损失较低。尤其，所提的比例范围导致入射在腔穴侧壁的辐射在沿着腔穴本身的纵向延伸来经过颗粒床做多次部分反射之后而被吸收，使得损失到外面减少最小。
[0030]于进一步较佳的组态，对应于高热功率的生产工厂来说，本发明装置的流体化床可以具有进一步的管束或相等的热交换机构而直接暴露于入射的辐射。较佳而言，该进一步的热交换机构乃设置在接收颗粒床之箱罩的顶部。尤其，暴露于太阳能辐射的该进一步热交换机构(也)可以定位成围绕着腔穴的入口。
[0031]于提供上面提及之次要反射器的较佳组态，热交换机构上所入射的是太阳能辐射，其来自远离流体化床装置的定日镜，典型而言关联于减少了热流而兼容于管束的热阻特色。于装置的接收腔穴中反而传送着来自较靠近次要反射器之定日镜的高热流太阳能辐射。此种关联于定日镜之空间位置的不同程度热流是由于太阳能辐射之高斯分布的缘故，导致腔穴的中央接收高很多的热流，其源自于所有定日镜之所谓的“足迹”(footprint)重迭。
[0032]如下文所更佳示范，上面提及之暴露于太阳能辐射的管束或其他热交换机构可以形成单一操作回路而具有接触颗粒床的其他热交换组件，或者可以界定出独立于或易于选择性的独立于该床的回路。
[0033]基于直接暴露于太阳能辐射的热交换组件以及基于接触颗粒床的热交换组件，刚才考虑的组态乃就工厂效率而言加以优化，如此以允许开发所有可用的热流，伴随着保持圆柱形腔穴的直径有所减少，如此以使再度辐射至外部环境的热损失达到最小。暴露于直接辐射之热交换组件的工作温度事实上可以例如致使由于辐射的损失可忽略。
[0034]于贯穿热交换组件的工作流体是水的情况，较佳的过程组态则设想到暴露的交换组件于白天接收太阳能辐射，并且将它直接转移到工作流体，而使相关的热能立即可用于涡轮发电和/或用于产生去盐水。伴随而言，腔穴接收集中的辐射，并且相关的热能储存于颗粒床。一整夜或者由于持续没有太阳的缘故，储存于颗粒床的热能可以转移到贯穿箱罩内部之热交换组件的工作流体，并且该热能可以用于持续发电和/或产生去盐水。可选择而言，于日照期间，储存于颗粒床的部分能量可以转移到箱罩内部之热交换组件的工作流体而合作发电和/或产生去盐水。
[0035]在此所述的多产型组态，亦即提供可能的发电(藉由将装置关联于涡轮)以及举例来说产生淡水(藉由将装置关联于除盐系统)的组态，乃允许使效率达到最大，其意谓开发了可用的太阳能辐射。
[0036]即使没有直接暴露于太阳能辐射的热交换组件仍可以实现该多产的组态。
[0037]在多产组态和单产组态之间的优化操作组态的选择乃取决于基于本发明装置之工厂的尺寸以及取决于安装区的需求。由于工厂效率的缘故，对于小尺寸工厂来说，最好单纯生产去盐水，这么说也是在没有暴露的交换组件时；而多产对于中和高功率工厂而言是有利的。
[0038]再次而言，对于基于本发明装置而在工作流体之低温下操作的生产工厂而言，或者无论如何于小尺寸工厂的情况，有利的是将其关联于有机兰肯循环(organic Rankinecycle)，亦即具有有机流体的兰肯循环，该有机流体于该等情况构成了本发明装置的工作流体。关联于有机循环对于小功率工厂而言尤其有利的，因为传统的蒸汽循环所费会更不贝ο
[0039]本发明的装置因此可以同时使用做为任何尺寸之工厂的模块以及用于上面提及的除盐操作之所谓的“独立”(stand-alone)应用，或者用于服务小的热消耗而可以对它赋予高效率。
[0040]于产生高功率的情况，本发明的装置尤其适合插入混合工厂，其中发电是与蒸汽产生放在一起而用于热消耗，例如除盐系统、空调系统等。
[0041]于较佳的组态，也在流体化床里提供使用燃料以补偿持续没有日照和/或确保达到决定的热程度。这能够大幅改善系统的弹性和整体效率。
[0042]于另一相等较佳的组态，提供了腔穴封闭构件，其可在坏天气和/或暂时或持续没有日照下启动，如此以避免热从装置逸散到外部环境。
[0043]如上所言，于发电厂的较佳组态，用于储存和转移的装置可以专业化于二种类型。尤其，提供第一类型，其将称为低温太阳能生产单元，UGS-L，而打算用于从进给水产生干燥的饱和蒸汽做为工作流体。再者，设想到第二类型，其将称为高温太阳能生产单元(UGS-H)而打算用于过度加热，可选择的是再度过度加热UGS-L所产生的蒸汽。
[0044]一般而言，关于所进行的功能，UGS-L装置的操作温度是明显低于UGS-H。
[0045]再者，如上面所提及，具有不同专业的单元乃串联连接。
[0046]上面介绍的UGS维持着本发明装置在此提及的特色，并且带来了关于明显减少经由UGS-L之接收腔穴而对流和辐射至外部环境之热损失的优点，以及增加了装置和工厂的整体效率。
[0047]再者，削减UGS-L建造材料的成本和制造所关联之设计器械的成本代表了包括它们之工厂的再一整体优点。事实上，于热力学循环，关于产生饱和蒸汽的能量持份，因此是由UGS-L所构成的模块持份是大约占60%;因此，所述的优点适用于60%的生产工厂，还带来了工厂本身的成本减少与效率增加。
[0048]本发明的其他优点、特色和操作步骤将于底下一些实施例的详细叙述而变得明显，其系举例所言而无限制之目的。

【专利附图】

【附图说明】
[0049]将参考所附图式，其中:
[0050]图1显示于“下束”组态的工厂之第一实施例的示意代表图，其包括根据本发明的较佳实施例而用于储存和转移太阳能起源之热能的装置；
[0051]图1A显示图1之工厂的部分放大图；
[0052]图1B显示类似于图1的工厂，但将定日镜不同的设置成从上面来照射装置；
[0053]图2A和2B指出数值模拟结果，其分别示范在图1和IB装置之圆柱形腔穴的入口平面上所产生的太阳能足迹以及取决于与该腔穴中央之距离的太阳能流动分布；
[0054]图3显示工厂之第二实施例的示意代表图，其包括根据本发明的另一较佳实施例而用于储存和转移太阳能起源之热能的装置；
[0055]图3A显示图3之工厂的部分放大图；
[0056]图4显不图3的工厂之变化实施例的不意代表图；
[0057]图5显不图3的工厂之另一变化实施例的不意代表图；
[0058]图5A显示图5之工厂的部分放大图；
[0059]图6显示根据本发明而用于储存和转移太阳能起源之热能的装置之变化实施例的不意代表图；
[0060]图7显示专业化UGS装置之间的一般连接图，其可以应用于前面图式中的某一工厂；以及
[0061]图8显示基于图6的专业化UGS装置之发电厂的图形。

【具体实施方式】
[0062]一开始参见图1和1A，基于“下束”组态而用于产生能量的太阳能工厂通用地标示为100。本实施例的工厂100适合产生蒸汽和工业用蒸汽。
[0063]工厂100包括根据本发明之较佳实施例而用于储存和转移关联于入射太阳能辐射之热能的装置，该装置通用地标示为I。工厂100可以包括多于一个之上面提及类型的装置。
[0064]工厂100也包括太阳能辐射捕获机构，其联合装置I而界定出上面提及的“下束”照射组态。尤其，工厂100包括主要捕获机构，于本范例是定日镜场域200，其直接涉及太阳能辐射而易于将太阳能辐射传送于次要捕获机构300上，该次要捕获机构较佳而言是反射器或镜子，其易于从主要机构200接收太阳能辐射并且转而将它传送到装置I的接收腔穴20。
[0065]在本设置中，次要反射器300乃位在塔或其他升高的结构上，而定日镜场域200和装置I乃设置在地面上。较佳而言，装置I的位置相对于次要反射器300而言是在中央。
[0066]装置I包括容纳箱罩2，其具有接收腔穴20以用于接收捕获机构所集中的太阳能辐射，以及于当中容纳可流体化颗粒床3。
[0067]变化的实施例可以提供在箱罩2中得到的多于一个的接收腔穴。
[0068]容纳箱罩2是绝热的，如此以将热逸散到外部环境减到最小，并且较佳而言是由金属做的。
[0069]根据本发明，接收腔穴20延伸经过颗粒床3并且较佳而言经过容纳箱罩2的整个高度。
[0070]于本范例，接收腔穴20具有实质伸长的，尤其是实质圆柱形的几何造型，其沿着使用上乃较佳设置成垂直的纵轴I而延伸。
[0071]腔穴20是由第一开放纵向末端或入口 21、第二纵向末端22(其较佳而言是由底部所封闭)、插在入口 21和底部22之间的侧裙23所界定，并且易于接收集中的太阳能辐射以及易于将所关联的热能转移到颗粒床3。
[0072]于本范例，腔穴20的入口 21是由实质平坦的和实质直角的表面所界定。
[0073]较佳而言，腔穴20所具有之直径d和高度h的比例是在包括约0.2?0.5的范围。该比例适合使集中之太阳能辐射的吸收达到最大。尤其，该比例数值愈低，则入射在侧裙23之顶部部分的壁上之太阳能辐射的吸收效率愈好。该入射的辐射系经过该侧裙23而在多次部分反射朝向腔穴20的底部22之后被吸收。
[0074]较佳而言，腔穴20的侧裙23乃包括了吸收太阳能辐射的材料，而底部22则有反射太阳能辐射的材料，如此则底部22把撞击上的任何辐射精确反射而再次朝向侧裙23，并且这是为了高度吸收入射的辐射。
[0075]侧裙23可以提供了由金属性和/或陶瓷材料所做的或所披覆的外部表面。侧裙23接触颗粒床3的内部表面则可以提供抗磨耗披覆。
[0076]如上所言，接收腔穴20延伸经过颗粒床3并且藉由其自己的侧裙23而与颗粒床分离。颗粒床3因此乃设置成接着该侧裙23并且接触其内部表面。
[0077]较佳而言，腔穴20的底部22乃实质设置在界定出颗粒床3之基底的箱罩2的底部或接近之。
[0078]较佳而言，整体组态致使太阳能辐射系传送在腔穴20里，而在腔穴本身的中央部分以及在颗粒床3之暴露表面的高度。换言之，致力于光学系统的较佳组态乃致使将次要焦点f，亦即次要反射器300所反射之光线的会聚点，定位在腔穴20之顶部入口 21的中央，其闻度等于颗粒床的闻度。
[0079]颗粒床3乃易于藉由流体化气体，较佳而言是空气，而选择性的移动，以用于储存经由腔穴20的侧裙23从太阳能辐射所接收的热能。颗粒床3的流体化则精确确保了与腔穴20的侧裙23之有效且均匀的热交换。
[0080]用于颗粒床3之颗粒材料的选择尤其基于不易倾向于磨损和粉碎，以回应于使床颗粒之淘析现象达到最小的需求，如此以限制在流体化空气中产生和传输细粒。基于这些考虑，较佳组态所偏好使用的床颗粒是钝于氧化的颗粒状材料，譬如像是碳化硅或石英，其具有规则的形状，较佳而言是球形和/或较佳的尺寸在50到500微米的等级，以及致使该尺寸较佳而言是天生的，而非由于较小颗粒聚集所造成。
[0081]基于本实施例，颗粒床3是由第一储存部分31和第二转移部分32所有效形成，后者较佳而言接着并且接触着储存部分31。
[0082]尤其，储存部分31乃易于储存经由腔穴20的侧裙23从太阳能辐射所接收的热能，因此设置在侧裙。转移部分32乃设置成相邻于储存部分31，周边地相对于腔穴20，并且易于将储存于床部分31的热能转移到热交换组件41，其接收在箱罩2里并且将于下文描述。
[0083]较佳而言，在使用上，储存部分31和转移部分32乃可选择性和独立的流体化以分别实现储存热能的步骤和转移该储存能量的步骤。尤其，对热交换组件41的热转移可以藉由停止交换部分32的流体化而停止。
[0084]根据工厂100的典型操作模式，藉由床部分31的储存步骤是于白天和有太阳能照射时启动，并且转移的步骤，也启动了床部分32，是于白天和夜间二者启动。
[0085]流体化气体乃藉由空气箱型的个别进给入口 51和52，其本身系已知的而示意呈现于图中，以进给于箱罩2里而到床部分31和32。
[0086]在此种入口 51和52，较佳而言系提供流体化气体的分布隔板或其他分布器，其易于能够使流体化气体均匀的进入，并且伴随着确保支持着颗粒床3，而有助于实现箱罩2的底部。
[0087]储存部分31和交换部分32可以是连续的或者由未示于图的隔板所分开。于较佳的变化实施例，两个床部分31和32可以构成同一床的相邻部分，其由空气箱的分离而选择性的可流体化。
[0088]较佳而言，提供易于选择性的变化流体化气体速率和/或流率的机构以调整热交换和转移的程度。尤其，藉由改变流体化气体的贯穿速率，则可能控制和修改流体化床和交换表面之间的整体热交换系数，因而弹性调整热功率的转移量。
[0089]于本实施例，也提供了气体/气体型热交换器71，尤其是空气/空气型，其连通于流体化气体回路。尤其在使用上，该交换器71被进给了第一冷气体，其系流体化气体而要用于颗粒床3的流体化，以及第二热气体，其系从颗粒床3出来的流体化气体，。因此，交换器71允许预热流体化空气，而回收了出来之流体化空气的部分的热。
[0090]流体化气体回路典型而言也包括用于收集环境空气的风扇或压缩机72或相等的机构。
[0091]该回路典型而言是由抽吸器所平衡，其未绘图示范而置于交换器71的下游，在来自装置I之热的流体化空气的线路上。
[0092]如上所言，在箱罩2里提供了热交换组件41，尤其是管束，其在使用上被工作流体，于本范例是水/蒸汽，所贯穿。
[0093]管束41乃浸没于床的第二部分32，或者无论如何设置成使得当流体化时，亦即于该热能转移的步骤期间，被第二部分所触碰。
[0094]管束41乃热交换回路的一部分，其适合产生要在工厂100之涡轮81中膨胀的蒸汽。尤其如所言，工作流体较佳而言是液态的水，其于管束41贯穿期间接收热能而变成过热蒸汽。然后利用在预定温度和压力之条件下的该过热蒸汽，藉由在关联于发电机82的蒸汽涡轮81中膨胀来发电。
[0095]根据本身已知的组态，工作流体回路也包括凝结器84、于涡轮81中抽取的获取器85、供应泵86或相等于所提到的机构。
[0096]于本范例，提供的是存在于交换组件41中之部分的或所有的过热蒸汽可以送到连接至工厂100的一或更多个热消耗90，举例来说为除盐系统、工业系统、调制系统等。于此种多重生产的情况，可以藉由设置在涡轮81上游的流动调整机构83而获得蒸汽进给。
[0097]藉由对基底回路的连接900，其较佳而言是在凝结器84的下游，工作流体回路也提供回收送到热消耗90的流体，其精确耗尽了其热贡献。
[0098]于不同的组态，可以提供装置I与热消耗90的关联来做为发电的替代方案，亦即工厂中不发电。
[0099]将会了解流体化气体回路和工作流体回路都可以提供本身类型是已知的流动调整和/或阻断机构以符合特定的操作需要。
[0100]工厂100和装置I也可以提供进给燃料以在颗粒床3里或在其部分里来燃烧的机构，并且取决于生产工厂下游的需求，这是要补偿持续没有日照和/或确保达到决定的功率程度。
[0101]于此情况，装置I例如在箱罩2上提供燃料，较佳而言是气态燃料，对颗粒床的独立入口、插入装置I的环境以触发燃烧并且确保系统没有任何危险的燃料累积在装置里的一或更多根火炬、一或更多个备裂盘(rupture disc)。这些权宜之计就像其他可以应用者，目的在于避免爆炸的风险。关于燃料本身的燃烧，这是已知的技术而将不于以下做进一步描述。重要的优点乃衍生自有可能直接在可流体化床里燃烧该燃料。经常而言，事实上对于先前技艺的装置来说，这操作是进行于与主要制造工厂分开的生产单元中。
[0102]图2A和2B举例来说显示了从上面集中太阳能辐射之典型分布的数值模拟结果。
[0103]尤其，图2A强调在笛卡儿坐标系统的热流，其中央乃重合于圆柱形腔穴20之顶部截面的中央。产生自太阳能辐射的足迹则强调出发现最大流动是在该截面的中央，因为它是衍生自定日镜之所有足迹的合成结果。离开中央则流动数值快速减少，这也可以从图2B推论出来。
[0104]这些数值模拟的结果可以用来设定用于决定的定日镜参考场域之圆柱形腔穴的直径尺寸，以及用来预测可以由腔穴本身所吸收的能量。
[0105]图1B和3到5A则是本发明之装置和工厂的进一步实施例和变化例。这些进一步实施例和变化例将于下文仅参考相对于图1和IA所已经揭示的差异来描述。
[0106]于图1B的变化例，提供的是与图1相同类型的工厂，在此整个标示为110，其实现了从上面的照射组态而是所谓的“下束”组态之替代方案。工厂110提供基于升高之主要捕获机构210的光学系统，其直接涉及太阳能辐射并且精确设置成相对于装置I是在升高的位置。尤其，升高的主要捕获机构210乃设置在自然的斜率和/或在合适的支持结构上。
[0107]图3到5A的实施例和变化例尤其适合需要高热功率的情况，并且兼容于图1和IB的二种照射组态。
[0108]尤其，图3到5A的实施例和变化例相对于第一实施例而言还分享了提供附加的热交换组件，该等附加的组件乃直接暴露于入射的太阳能辐射。因此，回收了在接收腔穴外部的太阳能热流，这避免在提供增加接收腔穴的横向维度之解决方案所可能发生的效率损失，而就是要藉由获取所有辐射来达成高功率。
[0109]图3和3A显示工厂的第二实施例，其在此标示为101而类似于第一实施例。
[0110]于该情况，工厂101包括用于储存和转移太阳能起源之热能的装置，其通用地标示为10。
[0111]装置10提供进一步的热交换组件，尤其于此情况也就是管束42，其在使用上被工作流体所贯穿并且设置在箱罩2的外部，如此以直接涉及入射的太阳能辐射。尤其，此种进一步的管束42乃位在箱罩2的顶部25上而在腔穴20的入口 21和/或部分覆盖着该入口。
[0112]管束42是完全设置在箱罩2之外的进一步热交换回路的一部分，而可以附加于在第一实施例之关于管束41的回路。
[0113]暴露的管束42上面则是入射的太阳能辐射，其来自远离次要反射器300之定日镜场域200的镜子201，而关联于减少的热流。圆柱形腔穴20反而是接收较靠近次要反射器300之定日镜场域200的镜子202之高热流的太阳能辐射。
[0114]于本范例，该二个回路是连通的。尤其，提供的是工作流体依序贯穿暴露的管束42然后贯穿浸没于颗粒床的第二部分32之管束。尤其，运行跨越暴露管束42的工作流体，于本范例为液态水，之温度增加而无相转变，然后进入流体床3之内部的管束41，在此持续加热而相转变成饱和蒸汽并且后续成为过热。过热蒸汽然后根据已经参考第一实施例所描述的进入涡轮81。
[0115]工作流体的整个回路也可以提供储存槽86，其尺寸致使允许储存来自暴露之管束42的热水，而不送到浸没于颗粒床的热交换组件41。这允许符合暂停产生能量的特定操作需求，亦即暂停与床部分32的热交换。更详言之，对于工厂需求来说，可能须要停止产生蒸汽；假使于日照期间突显了这种需求，则存在了储存槽86能够回收入射在暴露管束42上的太阳能辐射、在当中储存由该辐射加热的所水、并且经由圆柱形腔穴20而继续将热能储存于储存床31。于这些条件，负责交换的床部分32并未流体化。当“停止产生”事件结束时，可能打开连接回路以连接装置10之内部的管束41而继续生产。
[0116]替代而言或配合储存于槽86的热水来说，或者无论如何于普通的操作模式，可以经由旁通回路861来将暴露之管束42所吸收的能量直接送到可选用的热消耗90，而利用了该能量。
[0117]进一步过程组态提供的是暴露管束42所吸收的热能可以藉由旁通回路861而专门用于供应热消耗90，而剩余的太阳能辐射继续由圆柱形腔穴20吸收、由储存床部分31储存和伴随着或没有太阳时转移到管束41以产生易于送入涡轮81的蒸汽。
[0118]现在参见图4的实施例，于此情况，提供的是用于储存和转移太阳能起源之热能的装置，在此整个标示为11，其插入标示为102的工厂中。
[0119]装置11提供了圆柱形腔穴20的入口 210，其由截头圆锥形表面所界定。在该入口210，为了依循其轮廓，设置了进一步的热交换组件以暴露于太阳能辐射，在此标示为420。
[0120]于其他方面，工厂102和装置11系类似于已经参考图3和3A所描述的。
[0121]如已所言，也分别于图3和4之工厂101和102的情况，进一步较佳的组态，未示范，可以专门提供与热消耗，譬如除盐系统，的关联而不发电。
[0122]参见图5和5A的实施例，于此情况，提供的是用于储存和转移太阳能起源之热能的装置，其整个标示为12而插入标示为103的工厂中。
[0123]于装置12，提供了暴露的热交换组件，其整个标示为421而整个表面大于图3和4的例子。此种热交换组件421乃精确做出尺寸，如此以吸收较大的太阳能热流，例如引起过度加热之工作流体的加热、蒸发、过度加热，因此替代或配合而言，将蒸汽导入涡轮81和/或使之用于一或更多个热消耗90。
[0124]这具有较大延伸之暴露管交换器421的组态对于较高功率的工厂而言尤其方便，这是因为于该情况，由于较大尺寸之定日镜场域200和远离装置12的缘故，其上的太阳能辐射足迹有所增加。较大延伸的暴露管交换器因此允许拦下所有可用的入射辐射，而避免增加腔穴20的直径和再次辐射到环境所带来的损失。
[0125]于本范例，热交换组件421延伸在箱罩2的顶部25上和在腔穴20的入口 210，譬如截头圆锥形入口上。
[0126]液态水然后由已经提到的泵86所供应，并且可以遵循二个回路:第一回路系关于外部交换组件421，而第二回路系关于浸没在颗粒床中的内部交换组件41。
[0127]于在此考虑的组态，关联于暴露热交换组件421的是将回路划分成不同的区段，彼此之间可以连接，以允许上面提及之工作流体的预热、蒸发、过度加热。尤其，提供了暴露的热交换组件422，其设置于腔穴20的周边并且适合产生工作流体的预热；以及进一步提供了暴露的热交换组件423，其设置成接近或在腔穴20的入口 210而与组件422串联，并且适合产生工作流体的蒸发和过度加热。
[0128]较佳而言提供了缸体87，其连接热交换组件422和423，并且能够分离液相和气相，以及万一短暂没有日照时能够操作成为蒸汽储存机构。
[0129]较佳的过程组态于白天照射期间单纯以暴露的管交换器421来提供产生过热蒸汽，并且伴随着将热能储存于储存床部分31。于夜间和/或持续没有太阳的期间，利用储存于床31的能量来产生过热蒸汽，而这是藉由交换床部分32的流体化和交换机构41来为之。
[0130]变化的实施例乃示意显示于图6。于该变化例，其可以关联于每个上述的其他实施例，空气进给入口或空气箱乃进一步细分成三个区段，其分别标示为510、511、520。尤其，进给到颗粒床之储存部分31的空气乃精确细分成经由二入口 510和511，如此则较靠近腔穴20的床部分31可以在比较远离同一腔穴，亦即靠近转移部分32之储存床部分31还大的速率下而流体化。因此，储存部分31转而细分，亦即选择性的可流体化，成为靠近接收腔穴之壁的区和与之最远离的区。
[0131]这进一步细分的优点在于有可能增加靠近腔穴之区的流体化空气速率，据此增加壁和相邻床部分之间的交换系数。因此，会使于所有储存部分有相等高速率的情况下由于流体化造成的能量消耗达到最小。再者，藉由减少储存床第一部分的流体化空气流率而减少了明显的热损失。
[0132]将会了解于上述所有的实施例和变化例，工作流体回路的不同的部分乃易于选择性的设定成连通和/或彼此独立的启动。
[0133]再者，将会了解于该等实施例和变化例的每一者，接收腔穴及其多样的部分，尤其是入口，可以具有不同于上面所考虑的形状和组态；附带而言，可能提供浸没于颗粒床3中的多个接收腔穴。
[0134]对于每个所述组态而言，可以提供用于圆柱形腔穴20的封闭装置，未示范，而在坏天气和/或暂时或持续没有日照时避免热从装置逸散到外部环境。当热交换发生在储存床和交换床之间而偏好箱罩内部的热交换组件时，此种封闭装置于夜间是有利的。
[0135]如在简介所言，基于较佳的变化实施例，工厂组态提供划分成不同热类别或类型的多组专业装置，每个类别适合执行用于工作流体之决定的热力学步骤。
[0136]于使用水做为工作流体的情况，尤其较佳的是装置的专业划分成二种热类别。尤其，第一类型提供低温太阳能生产单元(UGS-L)，其将水转变成饱和蒸汽；而第二类型提供高温太阳能生产单元(UGS-H)，其在使用上接收来自UGS-L的饱和蒸汽，并且把要送入涡轮的过热蒸汽或根据热力学循环需求而是可选择的再度过热的蒸汽加以返还。每个单元可以由上述用于储存和转移的一或更多个装置所形成，而可选择的串联连接或形成单元本身，并且转而串联连接到其他单元的装置。
[0137]此种专业便有可能降低构成生产工厂的装置之超过50%的热体制，而显著减少从此种装置之辐射和对流所造成的损失以及节省建造材料的成本，这导致增加了生产工厂的整体效率。
[0138]此种提供使用根据上面提及的热类别之装置的组态尤其适合产生高功率。
[0139]参见图7，示范的是专业化UGS之间的连接图，其中为了简化起见，仅示范插入工厂以用于发电的单一 UGS单元。于该图，“发电区块”(power block)较佳而言意谓已经在前面参考图2所述的一组工厂构件，较佳而言是蒸汽涡轮81、发电机82、供应泵86、预热器(未示范)、获取器85、凝结器84。
[0140]UGS-L以较佳的和已经描述的方式和方法来接收太阳能辐射并且将热能转移到工作流体。UGS-L的饱和蒸汽输出(“蒸汽”)代表了 UGS-H的输入(SH)，UGS-H则转而以已经描述的方式和方法来接收太阳能辐射并且将它转移到工作流体(饱和蒸汽)。
[0141]UGS-H的输出是过热蒸汽(SH)，其系送到发电区块。
[0142]如所言，关于热循环的要求，也可能产生再度过热蒸汽；这情况乃由图7的第二单元UGS-H(RH)所示范，其具有与UGS-H(SH)相同的热特色而接收太阳能辐射和冷的再度过热蒸汽做为来自发电区块的输入，并且将它以热的再度过热蒸汽之形式而返还到发电区块。举例来说，冷的再度过热蒸汽的温度是300°C，而来自UGS-H(RH)之热的再度过热蒸汽的温度是500°C。
[0143]图7中由冷的RH和热的RH所指的连结则分别是由中温涡轮所收集的蒸汽和由UGS-H(RH)在适合热循环的温度下，较佳而言在蒸汽涡轮的最大温度，所产生的蒸汽。
[0144]热循环图是熟于此技艺者所已知的，因此这里不进一步示范说明。
[0145]从图7所示范的该简化图，图8则显示具有许多专业化高温和低温UGS单元的发电厂图。
[0146]于图8，示意显示的是已经由图7所示范的低温和高温太阳能生产单元之间热串联连接的基本概念。
[0147]尤其，图8强调UGS-L500群组和UGS-H600群组，其皆由彼此设定成平行之相同热类别的单元所形成。UGS-L500和UGS-H600群组一般而言乃设置成热串联。
[0148]更详细而言，UGS-H群组乃细分成专用于产生过热蒸汽的UGS-H(SH)和专用于产生再度过热蒸汽的UGS-H(RH)。低温群组500的UGS - L则藉由收集回路501而接收来自热循环，图中标示为“发电区块”，之预热的水。每个UGS-L的输出是藉由分布回路502而传送和分布到高温单元群组600的每个UGS-H(SH)。
[0149]图中UGS-H(SH)的输出乃示意显示成送到发电区块的过热蒸汽回路601。此示意图也呈现出产生再度过热蒸汽做为UGS-H(RH)之输出的情况。于该情况，显示的是来自涡轮而送到每个UGS -H(RH)之冷的再度过热蒸汽回路602，以及显示的是在最大压力和温度下送到涡轮阶段之热的再度过热蒸汽回路603。
[0150]图8的图形也显示UGS相对于发电区块的较佳设置，例如把具有高热体制的单元(UGS-H)安装成靠近发电区块，如此以使工作流体分布管线的表面和因此而来的热逸散，虽然有绝缘，减到最小。
[0151]最后，于另一较佳的变化实施例，巡回于内部和/或暴露之热交换组件的工作流体可以是空气而非水/蒸汽。于该情况，工作流体回路的构件乃致使适合布雷登-焦耳循环(Brayton-Joule cycle)的运行。于该循环，空气在于气体涡轮中膨胀之前先由本发明之用于储存和转移的装置所压缩然后再预热。为了在涡轮中膨胀之前增加系统效率，最好藉由在气体涡轮之同一燃烧器中燃烧气态燃料而进一步提升空气的热含量。
[0152]本发明已在此参考其较佳实施例而描述。要了解可能存在了其他的实施例，而都落于同一发明概念里，如下文之权利要求的保护范围所界定的。
【权利要求】
1.一种用于储存和转移关联于入射太阳能辐射之热能的装置(I ;10 ；11 ;12)，所述装置(I)乃易于用在基于“下束”组态而产生能量的太阳能工厂，其中所述装置是由太阳能辐射从上面所照射，所述装置(I)包括: 容纳箱罩(2);以及 至少一可流体化颗粒床(3)，其接收在所述箱罩(2)里， 其中所述箱罩(2)具有至少一接收腔穴(20)，其延伸经过所述颗粒床(3)并且具有第一开放纵向末端(21)而界定出用于入射之太阳能辐射的入口，以及具有相对于所述第一开放末端(21)的第二封闭纵向末端(22)而界定出腔穴的底部，腔穴的侧裙(23)则界定在所述等末端之间， 整体设置系致使所述颗粒床(3)乃设置成接着并且较佳而言是接触着所述腔穴(20)的所述侧裙(23)，并且所述颗粒床(3)是易于被流体化气体所移动以用于储存经由所述侧裙(23)而从太阳能辐射所接收的热能。
2.根据权利要求1所述的装置(I)，其中所述腔穴(20)具有实质伸长的并且较佳而言是实质圆柱形的几何造型。
3.根据权利要求1或2所述的装置(I)，其中所述腔穴(20)具有纵轴(I)，而整体组态系致使所述纵轴(I)在使用上乃设置于实质垂直的方向上。
4.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其中所述腔穴(20)的所述侧裙(23)具有金属性材料和/或陶瓷材料的外部表面。
5.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其中所述腔穴(20)的所述第二纵向末端(22)乃实质设置在或接近所述箱罩(2)的底部和/或所述颗粒床(3)的基底。
6.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其中所述侧裙(23)乃吸收太阳能辐射。
7.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其中所述腔穴(20)的所述底部(22)乃反射太阳能辐射。
8.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其中所述腔穴(20)具有横向维度，较佳而言是直径(d)和正交于所述横向维度的高度(h)，此二者的比例所包括的范围在约0.2?0.5。
9.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其中所述颗粒床(3)转而是由以下所形成: 第一储存部分(31)，其易于储存从太阳能辐射所接收的热能并且设置在所述腔穴(20)的所述侧裙(23);以及 第二转移部分(32)，其设置成相邻于所述第一部分(31)并且易于将第一部分(31)所储存的热能转移到设置在所述箱罩(2)里的热交换机构(41)， 其中所述第一储存部分(31)和所述第二转移部分(32)是可选择性和独立的流体化以分别执行储存热能的步骤和转移所述储存能量的步骤。
10.根据权利要求9所述的装置(I)，其中所述第一储存部分(31)乃细分成至少两个进一步的部分，其中一者乃相邻于所述腔穴的侧裙并且另一者则远离腔穴的侧裙，所述两个进一步的部分是可选择性和独立的流体化以增加与所述腔穴的热交换。
11.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其包括易于选择性的变化流体化气体速率和/或流率的机构。
12.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其包括气体/气体型(较佳而言是空气/空气型)热交换器(71)，其中整体设置致使在使用上于所述交换器(71)进给第一冷气体，所述第一冷气体是要用于所述颗粒床(3)之流体化的流体化气体，以及进给第二热气体，所述第二热气体是从所述颗粒床(3)出口的流体化气体。
13.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其包括热交换机构(41，42)，较佳而言是一或更多根管束，其在使用上被工作流体所贯穿。
14.根据权利要求13所述的装置(I)，其包括第一热交换机构(41)而在使用上被工作流体所贯穿并且设置在所述箱罩(2)里，如此以浸没于或触碰着所述可流体化颗粒床(3)，较佳而言是浸没于或触碰着可流体化颗粒床(3)的所述第二转移部分(32)。
15.根据权利要求13或14所述的装置(10)，其包括第二热交换机构(42)而在使用上被工作流体所贯穿并且设置在所述箱罩(2)的外部，如此以被入射的太阳能辐射所照射。
16.根据权利要求15所述的装置(10)，其中整体组态致使所述第二热交换机构(42)在使用上乃设置在所述箱罩(2)的顶部(25)，较佳而言在所述入口(21)。
17.根据权利要求16所述的装置(10)，其中所述腔穴(20)的所述入口(21)是由直角的表面所界定。
18.根据权利要求16所述的装置(11)，其中所述腔穴入口(210)是由截头圆锥形表面所界定。
19.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其包括设置在所述箱罩(2)里的第一热交换回路部分，如此以能够与所述颗粒床(3)做热交换，较佳而言与所述颗粒床(3)的所述第二部分(32)做热交换。
20.根据前述任一权利要求所述的装置(10)，其包括设置在所述箱罩(2)之外的第二热交换回路，如此以能够与入射的太阳能辐射做直接热交换。
21.根据权利要求20所述的装置(12)，其中所述第二回路划分成不同的区段以允许预热和蒸发工作流体。
22.根据权利要求19或20或21所述的装置(10)，其中所述第一和第二回路乃彼此连通、乃易于选择性的设定成连通、或是完全独立的和/或可彼此独立的启动。
23.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其在所述颗粒床(3)里或在颗粒床(3)的部分里包括用于进给燃料的机构，较佳而言是进给气态燃料。
24.根据前述任一权利要求所述的装置(I)，其系适合热串联连接于彼此设置在不同温度体制的装置，如此以相对于工作流体的贯穿感而呈现增加温度。
25.—种产生能量的工厂(100)，其包括根据前述权利要求中任一权利要求所述的一或更多个装置(I)，以及包括太阳能辐射捕获机构(200 ；300 ;210)，其联合所述装置(I)而界定出让太阳能辐射从上面会聚的照射组态。
26.根据权利要求25所述的工厂(100)，其中所述太阳能辐射捕获机构包括主要捕获机构(200)，其较佳而言是定日镜场域而直接涉及太阳能辐射，以及包括次要捕获机构(300)，其较佳而言是反射器而易于从所述主要机构接收太阳能辐射并且将辐射传送到所述装置(I)的所述腔穴(20)。
27.根据权利要求25或26所述的工厂(100)，其中整体组态致使太阳能辐射系传送在所述腔穴(20)里而在所述颗粒床(3)的暴露表面。
28.根据权利要求25至27中任一权利要求所述的工厂(100)，当依附权利要求18和19时，其中整体组态乃致使允许在所述第一热交换回路以及可选择的也在所述第二热交换回路来产生蒸汽或热能，并且其中较佳而言所述第一和第二热交换回路是可彼此独立的启动。
29.根据权利要求25至28中任一权利要求所述的工厂(100)，当依附权利要求18和19时，其中整体组态乃致使允许在所述第一热交换回路来生产用于发电的蒸汽或热，以及允许在所述第二热交换回路来生产用于一或更多个热消耗(90)的热能。
30.根据权利要求25至2中任一权利要求所述的工厂(100)，其提供产生蒸汽和/或产生热以用于连接的热消耗，较佳而言系用于除盐系统。
31.根据权利要求25至30中任一权利要求所述的工厂(100)，其提供产生蒸汽和/或发电，而包括热串联连接的二或更多个装置(I)。
32.根据权利要求31所述的工厂(100)，其包括一个或第一组装置(UGS-L)而建构成将工作水转变成饱和蒸汽，以及包括一个或第二组装置(UGS-H)而建构成将所述饱和蒸汽转变成过热蒸汽或者甚至转变成再度过热蒸汽。
33.一种从太阳能辐射产生能量的方法，其提供使用根据权利要求25到32中任一权利要求所述的工厂(100)。
34.根据权利要求33所述的方法，其藉由将主要捕获机构(210)定位在自然的或人工的斜率上而提供来自上面的太阳能辐射。
35.根据权利要求33或34所述的方法，其提供伴随产生电能和热能，而电能较佳而言系用于产生去盐水。
36.根据权利要求33至35中任一权利要求所述的方法，其包括根据权利要求9所述的装置(I)，而所述方法包括以下步骤: 储存来自颗粒床(3)的所述第一部分(31)所集中之太阳能辐射而接收的热能；以及 将所述储存步骤所储存的热能转移到由工作流体所贯穿的热交换机构(41)，此系由床的所述第二部分(32)的流体化所进行， 其中所述等热储存和转移步骤乃彼此独立的启动，较佳而言一者于白天启动并且另一者于白天和夜间启动。
37.根据权利要求33至36中任一权利要求所述的方法，其中所述流体化气体是空气。
38.根据权利要求33至37中任一权利要求所述的方法，其中提供了流体化气体速率和/或流率的选择性变化。
39.根据权利要求33至38中任一权利要求所述的方法，其包括根据权利要求18和19所述的装置，其中所述第二热交换回路是于白天启动，并且所述第一热交换回路是于夜间启动。
40.根据权利要求33至39中任一权利要求所述的方法，其使用水或空气做为工作流体。
41.根据权利要求33至40中任一权利要求所述的方法，其提供使用一个或第一组装置(UGS-L)而建构成将工作水转变成饱和蒸汽，以及使用一个或第二组装置(UGS-H)而建构成将此种饱和蒸汽转变成过热蒸汽或者甚至转变成再度过热蒸汽。
【文档编号】F24J2/28GK104204516SQ201280071903
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年4月3日
【发明者】马里奥·马佳蒂, 根纳罗·米歇尔, 弗兰克·多纳蒂尼 申请人:马迦迪工业有限公司