具有用于工艺或发电或热电联产的热存储的模块化熔盐太阳能塔的制作方法

本申请要求申请日期为2014年10月6日的美国临时专利申请序列号62/060,561的优先权。本专利申请的完整公开通过引用以其全文充分地结合于此。

背景技术：

本公开主要涉及产生并存储来自太阳的热能用于如热脱盐等工艺或发电的系统。通常，太阳能接收器是太阳热能生成系统的部件，由此，来自太阳的辐射(即太阳光)被用作热源。来自太阳的辐射和热能被集中在太阳能接收器上并传递至流动通过接收器的热传递流体(HTF)，所述热传递流体可以被存储并用于生成用于工艺或发电或两者(热电联产)的蒸汽。接收器通常是永久地安装在高架支撑塔的顶部上的大单元，所述高架支撑塔策略性地放置在定日镜或反射镜的场中，所述定日镜或反射镜收集太阳光线并将那些光线反射并集中到接收器的管屏上。一种用于这种系统的有效、紧凑太阳能接收器将是期望的：所述太阳能接收器使用熔盐或类似HTF并且设计简单、模块化、结构坚固并且在制造、装运和安装方面是经济的。

当前风力发电机和太阳能光伏发电机不具有经济的能量存储能力。在没有能量存储的情况下，由于变化的风、云以及夜晚的黑暗，电网的波动是不可避免的。熔盐太阳能电厂能够有效地将所收集的太阳能存储为热能，这允许所述工艺或发电与能量收集解耦合。所述工艺或发电厂然后可以根据接收器塔的数量和热存储系统相对于所述工艺或电力循环所需要的能量的尺寸如所需要的(如在云层覆盖期间和夜晚)继续操作一些时间量。

简要说明

本公开主要涉及太阳热能生成系统，所述太阳热能生成系统使用用于吸收太阳能的太阳能接收器和用于存储HTF的某些存储罐结构，以便提供用于工艺和/或发电的热能。优选地，系统使用熔盐作为HTF和存储流体。

各种实施例中公开的是操作太阳热能生成和存储系统的方法。HTF(例如，熔盐)从成组的冷存储罐泵送至太阳能接收器。HTF被加热到约850°F的最高温度，并且然后在重力作用下流向成组的热存储罐。经加热流体然后被泵送至蒸汽生成系统，以便提供用于生成用于工艺的蒸汽和/或用于驱动涡轮机并发电的热能。特别被设计成用于产生电的熔盐系统使用需要满足传统公用电站级蒸汽涡轮机所需要的蒸汽温度以及提供更有效的电力循环的更高温度的熔盐(典型地，1050°F)。然而，如热脱盐等工艺不需要高温度工作流体。因此，本公开中的HTF(熔盐)的最高温度被选择为小于能够达到的温度，从而使得太阳能接收器、热盐管道、热盐存储罐、热盐管道和蒸汽生成系统(SGS)热交换器可以由更低级的合金制成，由此降低了电厂的成本。替代地，热能可以用来生成用于驱动涡轮机并产生电的蒸汽，但是由于更低的盐温度引起的更低的蒸汽温度，因此具有更低的电力循环效率。

其他实施例中公开的是包括一个或多个垂直接收器塔太阳热能生成和存储系统。所述至少一个太阳能接收器包括支撑多个管屏的垂直支撑结构，所述多个管屏可以被安排在象限中。所述管屏被流体地连接以便形成至少一个流动路径。多个定日镜被安排在垂直塔周围。成组的冷存储罐被配置成用于向(多个)太阳能接收器供应“冷”HTF。成组的热存储罐被配置成用于从(多个)太阳能接收器接收“热”HTF。

以下更加具体的描述了本公开的这些和其他非限制性方面和/或目标。

附图说明

以下是附图的简要说明，其是为了展示本文中所公开的示例性实施例的目的而呈现的，并非为了限制所述示例性实施例。

图1是本公开的熔盐太阳热能生成、热存储和蒸汽生成系统的示意图。

图2是具有位于中心的热存储系统、蒸汽生成系统、和在约1050°F的温度下操作的发电系统和十个定日镜场的传统熔盐发电厂的示意图。

图3是本公开的在约850°F或更低温度下操作的用于工艺应用的熔盐太阳热能生成系统的示意图。

图4是本公开的在约850°F或更低温度下操作的用于发电的熔盐太阳热能生成系统的示意图。

图5是本公开的在约850°F或更低温度下操作的用于热电联产的熔盐太阳热能生成系统的示意图。

图6是用于本公开的模块化熔盐太阳热能生成系统的另一个普通电厂布局的顶视示意图，所述另一个普通电厂布局使用布置在展示具有两个热和冷模块化存储罐组的熔盐管道的两行中的十个定日镜场。

图7是本公开的模块化熔盐太阳热能生成系统的另一个普通电厂布局的顶视示意图，所述另一个普通电厂布局使用布置在展示具有三个热和冷模块化存储罐组的熔盐管道的矩形中的十个定日镜场。

图8是流程图，示出了使用图1的熔盐太阳热能生成、热存储和蒸汽生成系统的示例性方法。

图9是可以在本公开的系统中使用的组装的太阳能接收器的外部透视图。此视图展示了外部的热传递表面(管屏)的安排。

图10是图9的组装的太阳能接收器的内部透视图，并且示出了热传递表面的安排以及被提供用于顶部支撑热传递表面的垂直支撑结构。

图11是图9的组装的太阳能接收器的管道的图解视图，为清晰起见将太阳能接收器的各个部分移除。

图12是示意图，示出了本公开的太阳能接收器的两个平行独立的熔盐流动路径之一。

图13是示意图，示出了可以与本公开的熔盐太阳热能生成系统一起使用的蒸汽生成系统的部件。

具体实施方式

可以参照附图来获得本文中所公开的工艺和装置的更完整地理解。这些图基于展示现有技术和/或当前发展的便利性和容易度而仅是示意性表示并且因此不旨在指示其组件或部件的相对尺寸和规格。

尽管为了清晰的目的在以下描述中使用特定术语，但是这些术语旨在仅仅指实施例的选择用于在附图中说明的特定结构，而不旨在限定或限制本公开的范围。在附图和以下描述中，将理解的是，相同的数字符号指具有相同功能的部件。

单数形式“一个(a)”、“一种(an)”以及“所述(the)”包括复数指示物，除非上下文清楚地另外指明。

结合数量使用的修饰词“约”包括所陈述的数值并且具有上下文所要求的含义(例如，至少包括与特定数量的测量相关联的误差程度)。当使用特定值时，还应当考虑为公开所述值。例如，术语“约2”还公开了值“2”，以及范围“从约2到约4”还公开了范围“从2到4”。

应注意的是，本文中所使用的术语中的许多术语是相对术语。例如，术语“入口”和“出口”是相对于流动的方向，并且不应被解释为需要结构的特定方向或位置。术语“上游的”和“下游的”是相对于流体流动通过各个部件的方向，即在流动通过下游部件之前流体流动通过上游部件。应注意的是，在回路中，可以将第一部件描述为第二部件的上游和下游两者。类似地，术语“上”和“下”是相对于彼此的位置，即上部件位于比下部件更高的海拔。

此外，术语“北”和“南”用于指示彼此相反的位置，如“东”和“西”。这些方向性术语是相对于彼此的，并且不应被解释为指参考地球的地理或磁北极的绝对方向。

术语“水平的”和“垂直的”用于指示相对于绝对参考(即地平面)的方向。然而，这些术语不应被解释为需要彼此绝对平行或绝对垂直的结构。例如，第一垂直结构和第二垂直结构不需要彼此平行。术语“顶部”和“底部”或术语“顶面”和“地面”用于指顶部/顶面相对于绝对参考(即地球表面)通常高于底部/地面的位置/表面。术语“向上”和“向下”也是相对于绝对参考的，向上流动通常违反地球的重力。

术语“平面”在本文中通常用于指普通水平面，并且应被解释为指体积而不是平整表面。

在给定压力下处于超过流体的饱和温度的温度的流体被认为是“过热的”。在不改变流体相位的情况下，过热的流体可以被冷却(即传递能量)。如本文中所使用的，术语“湿蒸汽”指饱和蒸汽/水混合物(即具有小于100％质量的蒸汽，其中，质量是百分之蒸汽含量比质量)。如本文中所使用的，术语“干蒸汽”指具有等于100％质量的饱和蒸汽(即不存在液态水)或过热蒸汽。

本公开涉及由HTF捕获太阳能。HTF在描述本文中所讨论的太阳能收集和存储方法的各个阶段中将被称为“冷”或“热”。应理解的是，“冷”和“热”被用作相对术语。“冷”用于指在捕获太阳能之前或在太阳能已经被释放之后的流体。“热”用于指在已经捕获太阳能之后的流体。在“冷”流体和“热”流体之间通常存在至少100°F的差。

在对太阳能接收器、锅炉和/或蒸汽发生器技术的某些术语或原则的解释可能对于理解本公开是必要的程度上，读者可参见Steam/Its Generation and Use(蒸汽/其生成和使用)第42版，巴布科克&威尔考克斯公司(Babcock&Wilcox Company)(ISBN 978-0-9634570-2-8)，威尔考克斯公司，版权2015，托梅伊G.L.(G.L.Tomei)(编者)，所述文档的文本由此通过引用结合于此，就如同在本文中做了充分阐述一样。

本公开涉及可以与聚光式太阳能塔技术(也被称为聚光太阳能(CSP)技术)一起使用的太阳能接收器设计。通常，太阳能接收器位于上升到地平线或地面线之上通常超过150英尺的高度的垂直塔的顶部。太阳能接收器包括垂直支撑结构。支柱可以被提供在垂直支撑结构上，以便提供用于热传递表面(具体地松散的切管屏)的安排的横向支撑，同时允许管/管屏在水平和垂直两个方向上的无限制热膨胀，由此消除额外的管压力。

垂直支撑结构、支柱和其他结构构件不仅为热传递表面的管/管屏提供结构上的支撑和硬度，还提供某种装置，通过所述装置太阳能接收器可以被抬起和举起以便放置在期望的位置。所述结构允许太阳能接收器在安装期间被工厂组装、运输、并且然后被举起并作为单元设置在垂直塔上。垂直支撑结构保持太阳能接收器，由此促进(如果必要)太阳能接收器从塔中移除(如果它变得期望这样做)。

当HTF在管内流动时，接收器是使用熔盐的管的组装。在同一平面上，反射镜(称为定日镜)场跟踪太阳的移动，并且将太阳光聚焦在接收器的热传递表面上。接收器的管内的HTF吸收集中的太阳能，使HTF温度增加，从而使得HTF捕获太阳能。可以设想本公开的系统将使用低凝固点、低氯化物熔盐作为HTF和存储介质。这将允许使用具有合理的腐蚀余度的低成本合金。

竞争者系统通常在单个定日镜场中间使用单个大的现场建造的接收器。然而，设想本公开的太阳能接收器采用模块化方法并入电厂中，使用产生与单个大接收器的输出相等的输出的若干较小太阳能接收器。具体地，这种较小尺寸允许工厂组装，或换言之太阳能接收器可以作为一个组装件被运输到现场站点，而不是作为在现场站点处组装到一起的若干个较小件。这提高了质量、最小化了现场人工成本、一旦接收器在现场就允许更快的安装、以及由于塔通常较短，因此简化了允许。模块化方法进一步允许可扩展的电厂尺寸，所述可扩展的电厂尺寸可以通过简单地改变塔和接收器的数量而改变。因为相同的接收器设计可用于衡量电厂的上升或下降，所以也降低了电厂风险；不需要改变设计。此外，由于如果一个接收器为了维护而下降，则电厂仍然可以操作，因此多个接收器提供冗余。

这种天阳能接收器应用许多概念，如：工厂组装、模块化、使用顶部支撑松散切管和被安排用于交替上下的蛇形流的头部的热传递表面、管附接/流动支柱系统、以及管屏后面的挡光板等。

在约350°F(177℃，450°K)或更低(取决于盐的凝固点)的入口温度处的“冷”熔盐从冷存储罐组泵送至太阳能接收器的管屏中。聚焦在管屏上的太阳能将熔盐加热到约750°F(399℃，672°K)到约850°F(454℃，728°K)或更低(取决于蒸汽温度要求)的出口温度。一旦退出太阳能接收器，这种“热”熔盐就返回到地面线并存储在热存储罐组中。这完成了能量收集过程。

在热存储罐组中的“热”熔盐然后被泵送至蒸汽生成系统。这是管式和壳式热交换器系统，所述系统将热能从热熔盐传递到水中，以便产生饱和蒸汽或过热蒸汽。所述蒸汽可用于各种非动力工艺(如提高原油采收率(EOR)、热脱盐)或用于目的在于使用太阳能来抵消或可能消除矿物燃料成本的发电。冷却的盐返回至冷存储罐并再循环通过太阳能接收器。

本公开的工厂组装的太阳能接收器有利地包括热传递表面和流体输送导管(管道、阀门等)的安排，并且与以特定方式安排的控制件相关联，以便将期望的热能量传递到HTF(即熔盐)中。热传递表面有利地由被安排在切管屏中的管制成，并且按要求被提供有入口和出口头部。如本领域技术人员已知的，根据可适用的设计规范，管的尺寸、它们的材料、直径、壁厚度、热传递表面的数量和安排都基于服务的温度和压力。需要的热传递特性、点吸收率、HTF在管内的质量流动率等也是必须考虑的重要参数。根据太阳能接收器将被安装的地理位置，还应考虑可适用的地震载荷和设计规范。

对传统公用电站级发电而言，太阳能接收器被设计成用于将熔盐加热到1050°F的温度，以便满足传统公用电站级蒸汽涡轮机的蒸汽温度要求，并提供有效的电力循环。高温度熔盐需要广泛使用遍及太阳能电厂的高温度合金和大的现场建造的存储罐。在本发明的方法/工艺中，如以下更加详细描述的，HTF仅加热到约850°F的最高温度，而不是1050°F。这种温度将满足大多数工艺(非动力)应用的蒸汽需求。例如，850°F的盐在1988(绝对压力)磅/平方英寸时可以生成635°F的饱和蒸汽。更低的盐温度降低金属温度，并且当与更低的氯化物盐(下一段中所描述的)组合时可以显著降低腐蚀的可能性。这反过来允许更低等级的合金(如奥氏体不锈钢SA213TP347H)用于管屏的接收器吸收器管(热传递表面)，而不是昂贵的高镍铬超合金。更低的盐温度还允许更低等级的铬钼合金(如SA335P22和SA387Gr22)或甚至碳钢(如果所需要的蒸汽温度以及由此盐温度足够低)用于热盐管道、热存储罐和相关联的泵、加热器、阀门和仪器以及SGS热交换器，而不是奥氏体不锈钢。并且，因为管内的盐膜温度低于1112°F(600℃)极限(在所述极限处硝酸盐开始转换为腐蚀的亚硝酸盐)，所以不再需要减少接收器出口管屏上的热通量。这允许较高的平均通量，并且更低的熔盐出口温度帮助最小化太阳能接收器的总尺寸。更小更低温度的接收器还具有更低的热损耗(即较高的热效率)，所述更低的热损耗反过来可以减小定日镜场的尺寸并降低定日镜场的成本。

本公开的系统还使用低凝固点(288°F(142℃)或更低)、低氯化物(按重量计0.40％或更低)熔盐混合物，以便允许更低温度的操作并降低温度上限(850°F)处腐蚀的可能性。如果结合约850°F或更低的盐温度使用，则其可以显著降低熔盐部件腐蚀的可能性。如果所需要的蒸汽温度(以及由此盐温度)足够低，则这种结合更低的盐温度允许热盐管道、热存储罐、泵、阀门、加热器和仪器以及与经加热的盐接触的SGS热交换器从奥氏体不锈钢合金(像SA213TP347H(“347H”))降级到铬钼钢合金(如SA335P22(“P22”)或SA387Gr22)或甚至降级到碳钢。例如，将热盐管道材料从347H降低到P22将降低大约50％的材料成本。这种估计包括增加到P22(具有标准0.36wt％硅)管壁厚度的0.100英寸腐蚀余度，以便达到30年设计寿命。P22还可以被指定具有更高的硅含量，这可以进一步减少腐蚀，可能允许甚至更薄的管道和更低的成本。

SGS热交换器(如过热器或再热器)可以由铬钼钢合金、碳钢、或比奥氏体不锈钢低等级的金属制成。例如，蒸发器还可以从铬钼钢降级到碳钢。

低合金钢(像P22)还更加易于可用并不易产生应力腐蚀裂痕(像347H)。它们还比在现场安装期间可以提供附加成本节省的347H更易于焊接。尽管更低等级的金属将需要更厚(由于更低的容许应力)并因此需要更多热追踪功率来预热，但是因为管道在电厂的寿命上不会那样频繁的排尽，所以这种成本应当是微不足道的。此外，P22和碳钢具有17％更低热膨胀系数，并且结合更低的操作温度可以减少盐管道中所需要的膨胀环的数量。尽管P22和碳钢具有比347H明显更高的导热性，但是这些材料所需要的更厚的管壁应当抵消相似的绝缘厚度需求所引起的更高的传导性。

在先前的太阳能熔盐热存储系统设计中，两个现场组装的罐将用于HTF的冷和热存储。那些罐可以具有大至130英尺的直径以及超过70英尺的高度，并且需要特殊无源空气冷却基础设施，以及需要昂贵的现场人工和建造时间。这种罐通常具有安装在罐上方的单独结构上并将盐从罐的底部泵出的三个50％容量、长柄、多级立式涡轮泵。此外，这种大的热存储罐通常由奥氏体钢制成，并且由于那些区域无法适当地消除应力，因此在最终组装焊接中存在一些应力松弛裂痕风险。本公开替代地使用多个工厂组装的可卡车装运的盐存储罐。这种方法可以显著降低现场安装成本和时间。所需要的唯一现场工作将通常包括在基础设施上设置罐，并且安装连接管道、阀门、泵、加热器和仪器。

具体地，存在一个或多个冷存储罐组和一个或多个热存储罐组，所述存储罐组可以局部地或集中地位于并共享于太阳能接收器塔之间。在每个组中，一个罐充当泵罐并具有用于移动HTF的泵。其他存储罐不包含泵。根据所需要的存储容量，一个或多个存储罐位于泵罐的位置旁边，并使用靠近罐底部的管道流体地连接至所述泵罐。流体流入和流出泵罐，并且然后流动通过连接管道进入其对应的存储罐，允许每个罐中的液位相同。这种安排消除了每个罐对泵的需要。所需要的存储罐的数量取决于所需要的存储容量和单独罐的尺寸。期望使用最大尺寸罐，以便最小化所需要的罐的数量。将在取决于制造和/或装运尺寸限制的具体分析基础上确定罐尺寸。并且，更高的罐可能需要锚定至基础设施和/或一起支撑以便防止由风和地震载荷引起的倾斜。

有利地，本公开通过以下方式降低系统的成本：(1)将盐温度限制在850°F(而不是1050°F)，允许使用更低的合金部件；(2)消除对接收器出口管屏上的热通量的限制，以便允许更高的平均通量和更小的接收器尺寸；(3)使用具有更低操作温度的更小的接收器，所述接收器具有更低的热损耗并更有效，产生更小更低成本的定日镜场；(4)使用更低的操作温度降低腐蚀的可能性，并使用低氯化物熔盐，由此允许接收器管屏、互连管道、热盐管道、热存储罐和相关联的泵、加热器、阀门和仪器、以及SGS热交换器中更低等级的合金；(5)使用更低等级的合金(如比不锈钢347H更易于焊接的P22)；(6)使用更低等级的合金(如相比于347H具有17％更低的热膨胀系数的P22)以便减少热盐管道中的膨胀环的数量；(7)如果仅需要饱和蒸汽，则消除再热器和过热器热交换器；以及(8)使用模块化工厂组装的低合金存储罐，以便降低现场组装成本并消除现场焊接以及应变时效和应力腐蚀裂痕的风险。

图1展示了本公开设想的一个模块化熔盐太阳热能生成系统110的顶视图。再次强调，这些附图并不按比例绘制。多个定日镜被安排在包围太阳能接收器114的场112(由六边形表示)中。定日镜跟踪太阳的移动并将太阳光聚焦到太阳能接收器114的热传递表面上。再次，尽管在此仅展示了一个太阳能接收器和一个定日镜场，但是系统可以包括多个太阳能接收器和定日镜场。冷存储罐组116和热存储罐组118流体地连接至太阳能接收器114。

如以下更加详细描述的，冷存储罐组116被配置成用于向太阳能接收器114供应HTF。冷存储罐组116包括被配置成用于保持HTF的至少一个冷流体存储罐122和至少一个冷流体泵罐124。冷流体存储罐122通过罐底部的管道流体地连接至冷流体泵罐124，从而使得罐122/124中的流体水平相同。冷流体存储罐122不包含泵，并且仅流体地连接至冷流体泵罐124，并且不直接连接至太阳能接收器114。冷流体泵罐124流体地连接至太阳能接收器114，并且包括用于向太阳能接收器114泵送“冷”流体的至少一个泵126。冷流体泵罐124还流体地连接至用于从其中接收“冷”流体的蒸汽生成系统120。如在此所展示的，使用两个冷流体存储罐122和一个冷盐泵罐124。然而，冷存储罐组116可以包括任何数量的冷流体存储罐122或冷盐泵罐124(例如，1个或3个或更多个)。尽管期望地，仅使用一个冷盐泵罐124。每个冷存储罐116具有约100英尺或更小的高度以及约14英尺或更小的直径。这些规格允许冷存储罐是可卡车装运的。注意，设想罐具有作为垂直规格的100英尺的高度；然而，罐还可以被水平地定向。罐通常是圆柱形状。

如以下更加详细描述的，热存储罐组118被配置成用于从太阳能接收器114处接收HTF。热存储罐组118包括被配置成用于保持HTF的至少一个热流体存储罐128和至少一个热流体泵罐130。热流体存储罐128通过罐底部的管道流体地连接至热流体泵罐130，从而使得罐128/130中的流体水平相同。热流体存储罐128不包含泵，并且仅流体地连接至热流体泵罐130，并且不直接连接至太阳能接收器114。热流体泵罐130流体地连接至太阳能接收器114，并且包括用于向蒸汽生成系统120泵送“热”流体的至少一个泵132。热流体泵罐130还流体地连接至用于向其发送“热”流体的蒸汽生成系统120。如在此所展示的，使用两个热流体存储罐128和一个热盐泵罐130。然而，热存储罐组118可以包括任何数量的热流体存储罐128或热盐泵罐130(例如，1个或3个或更多个)。尽管期望地，仅使用一个热盐泵罐130。每个热存储罐118具有约100英尺或更小的高度以及约14英尺或更小的直径。这些规格允许热存储罐是可卡车装运的。注意，设想罐具有作为垂直规格的100英尺的高度；然而，罐还可以被水平地定向。罐通常是圆柱形状。

如以下更加详细描述的，冷存储罐组116和热存储罐组118还流体地连接至从热存储罐组中接收“热”流体以便生成蒸汽的蒸汽生成系统120，并且然后向冷存储罐组发送“冷”流体。然后所生成的蒸汽可以用于如八边形134所表示的各种应用。

首先，图2是使用十个太阳能接收器塔212的传统熔盐太阳能发电厂200的布局的示意图，每个太阳能接收器位于大约六边形定日镜场210的中心，并且每个太阳能接收器可操作用于将流体从550°F(288℃，561°K)加热到1050°F(565℃，838°K)的温度。两个大的现场建造的存储罐(一个用于冷流体(202)以及一个用于热流体(204))位于中心位置的两个定日镜场组之间。这种系统使用具有高凝固点的传统硝酸盐太阳能盐。所述盐是按重量计60％的硝酸钠和40％的硝酸钾的接近共晶混合物，所述盐具有430°F(221℃，494°K)的凝固点。

如在此所指示的，HTF从冷罐202流向管道205。黑线205指示冷和热盐管道采用的需要用于将HTF(例如，熔盐)传输到每个太阳能接收器和从其处传输HTF的路径。(注意，为了提高清晰度，熔盐管道示出为单线，但是在现实中，存在两个管道，流向和来自每个接收器的冷管道和热盐管道。从罐到接收器的冷盐和热盐管道可以单独运行、分支岐管或其组合)。然后HTF从太阳能接收器返回，并在重力作用下流向热罐204。

尽管冷存储罐和仅暴露于冷流体的泵、管道和阀门可以由更低质量的合金(如碳钢)制成，但是相同的部件以及暴露于1050°F的热流体的SGS热交换器将需要由高等级的不锈钢和具有高镍铬合金的接收器管制成，以便最小化高温度盐腐蚀。这增加了成本。此外，中心存储罐与太阳能接收器之间的管道的长期运行使很难在重力作用下完全排尽管道返回至存储罐。为此，管道将必须被明显架高到塔处，以便达到用于排水的适当倾斜。这种架高将增加显著的成本(用于支撑结构)并将阻止定日镜场的光中的一些光到达太阳能接收器。此外，可能需要压缩的空气来帮助排水，并且可能需要将P型存水弯安装在管道中，以便防止空气流过管道中的流体。

接下来，将来自热罐204的热流体发送至蒸汽生成系统220，其中，将给水226转换成蒸汽224并发送至发电系统222，并且然后再循环。蒸汽生成系统将通常由预热器、蒸发器、过热器和再热器热交换器组成。

这些熔盐发电厂在50％容量因子时可以具有100MWe的容量。容量因子(以百分数表示)是电厂的每年净生产除以在涡轮机以其额定容量整年运行时电厂的每年净生产。被设计成用于更低的容量因子的电厂使用更少的太阳能接收器和更小的存储容量，反之亦然。

图3至图7是本公开的在约850°F或更低的盐温度下操作的熔盐太阳热能发电厂的各种实施例。再次注意，这些附图并不按比例绘制。这些图中展示了定日镜场和中心位置。尽管在这些图中，中心位置更大并且定日镜场间隔的更远，但是设想中心位置约与定日镜场具有相同的尺寸，从而使得中心位置的相关细节更明显。

图3是本公开的在约850°F或更低温度下操作的用于工艺应用的熔盐太阳热能发电厂201的一个示例性实施例。在此实施例中，定日镜场210沿着与图2的双周长相反的单周长被安排在中心位置(虚线矩形203)的所有边上。如在此所展示的，定日镜场的布局是围绕中心位置203的矩形形状，四个定日镜场在相反边并且然后中心位置203的每端上一个定日镜场。(注意：在此示出了总共十个定日镜场和塔，但是可能存在更多或更少的塔，取决于电厂存储和输出需求)。再次，中心位置203约与每个定日镜场210具有相同的尺寸。位于中心位置203内的是两个冷存储罐组206和两个热存储罐组208。每个存储罐组206、208流体地连接至五个定日镜场210。冷流体从冷存储罐组206流动通过管道205到达定日镜场210，其中流体被加热到约850°F的温度，并且然后返回至热存储罐组208。然后，热流体从两个热存储罐组208流动通过管道207到达蒸汽生成系统220，并且作为冷流体从其中退出，所述冷流体流动通过管道209到达两个冷存储罐组206。给水226也流入蒸汽生成系统220，并吸收热能，作为蒸汽224退出，所述蒸汽然后如期望的发送至工艺应用。蒸汽生成系统可以由以下组成：(i)仅蒸发器；(ii)预热器和蒸发器；或(iii)预热器、蒸发器和过热器。蒸汽224可以是饱和蒸汽或过热蒸汽。这种布局的一个优点是可以减少管道总长。作为非常粗糙的比较，在图2中，定日镜场管道具有18个六边形边的总长，而在图3中，管道具有10个六边形边的总长(谨记中心位置的长度未按比例绘制)此外，太阳能接收器与存储罐之间的管道长度更短。这意味着，管道可以在太阳能接收器塔的基底处被抬高，以便在不阻止来自定日镜场的同样多的光的情况下获得重力排水所需要的最小倾斜(由此消除对P型存水弯的需求以及压缩空气强制排水)。并且，管道可以被支撑靠近地面，减少支撑结构的数量并降低其成本。

图4是本公开的在约850°F或更低温度下操作的用于发电的熔盐太阳热能生成系统201的示例性实施例。此附图与图3相同，除了蒸汽224被发送至发电系统222，其中，热能转换成电能，并且蒸汽被压缩回水，然后作为给水226再循环。发电系统222包括涡轮机、发电机和控制中心。

图5是本公开的在约850°F或更低温度下操作的用于热电联产的熔盐太阳热能生成系统201的示例性实施例。此附图也与图3和图4相同，除了在此展示的涡轮机230，所述涡轮机从蒸汽生成系统220中接收蒸汽224。部分热能通过涡轮发电机转换成电能。更低温度和/或更低压力的蒸汽(参考号228)随后退出涡轮机。这种更低温度/压力蒸汽被分成两条路径。在由参考号234表示的一条路径中，更低温度/压力蒸汽被发送至工艺。在另一条路径中，更低温度/压力蒸汽被发送至空气冷凝器232，并变成返回至蒸汽生成系统220的给水226。来自接收蒸汽234的工艺的回收水236也作为给水226被返回。

图6是太阳能接收器/定日镜场的替代安排。再次，存在10个定日镜场210和中心位置203。在此，定日镜场被安排在中心位置203的相反边的两行中，并且中心位置的端上不存在定日镜场。存在经由管道205连接至太阳能接收器的两个热和冷存储罐组206、208。每个存储罐组为不同数量的定日镜场提供服务(四和六，代替如图3中两个组都为五个定日镜场提供服务)。由此，如以上所讨论的，一组存储罐中的罐和泵可以具有与另一组存储罐中的罐和泵不同的体积和容量。再次，蒸汽生成系统和电源块(如果需要)将位于中心位置203中。

图7是太阳能接收器/定日镜场的另一个替代安排。再次，存在10个定日镜场210和中心位置203。在此，存在经由管道205连接至太阳能接收器的三个热和冷存储罐组206、208。在端处的两个存储罐组为三个定日镜场服务，而中心存储罐组为四个定日镜场服务。类似于图6，每个罐组的存储罐和泵的体积和容量可以不同。所有三个热存储罐组208将热流体馈送至蒸汽生成系统，并且之后，所有三个冷存储罐组206将从蒸汽生成系统中接收冷流体。再次，蒸汽生成系统和电源块(如果需要)将位于中心位置203中。

图6和图7仅是多个模块化罐组如何能够用于减少十个塔系统的场管道的两个示例。此相同概念可以用于任何数量的塔，以便减少盐管道的数量并简化电厂布局。

图8是流程图，示出了使用本文中所公开的太阳能发电系统的示例性方法800。方法800包括以下步骤：提供太阳热能生成系统(步骤802)；将HTF从冷存储罐组泵送至太阳能接收器(步骤804)；将流体加热到约850°F的最高温度(步骤806)；使经加热流体流至热存储罐组中(步骤808)；将经加热流体泵送至蒸汽生成系统(步骤810)；使用经加热流体生成具有指定质量、温度和压力的蒸汽(步骤812)；使冷却流体流至冷存储罐组中(步骤814)；以及使用生成的蒸汽用于工艺、发电或热电联产(步骤816)。这些步骤已经在上文中进行了详细地描述。注意，期望地，热传递和存储流体是具有低凝固点和低氯化物含量的熔盐。

图9至图12展示了本公开的可以与定日镜场一起使用的太阳能接收器300的各方面。图9是外部透视图。图10是主要展示了热传递表面的支撑结构的内部透视图。图11示出了组成太阳能接收器和热能生成系统的某些管道、排气管、排水管和存储罐。图12示出了太阳能接收器中的熔盐HTF的两条平行独立的流动路径之一。

当从顶部看时，在一些特定实施例中，太阳能接收器在每侧具有大约11英尺乘11英尺的规格。当从侧面看时，太阳能接收器的热吸收区域为大约38英尺高(即热吸收高度)乘大约11英尺宽。接收器的尺寸相比于竞争单元是相对小的，并且最大限度地促进工厂组装和卡车可装运，以便减少现场建造时间并降低成本。设想接收器规格在一些程度上是灵活的，以便满足热性能需求同时仍实现工厂组装和卡车可装运。

首先，图9和图10展示了若干结构部件。太阳能接收器300可以被分成四个不同象限。每个象限包含至少一个面320，并且每个面包含至少一个管屏。东北(NE)象限312和东南(SE)象限316在图9中是可见的，沿着NE面350和SE面370。西北(NW)象限314和西南(SW)象限318在图10中是可见的，沿着NW面360和SW面380。

每个面由一个或多个管屏330组成，所述管屏被组织从而使得所述面是平面，即管屏被安排成用于形成平整表面。管屏通过互连管道(如跳线管道414(参见图10))串联地连接至彼此。管屏330在垂直或轴向方向上组织，从而使得熔盐以上下方向交替的方式流过管屏(由图9中的箭头指示)。这种在流动方向上的变化在本文中被称为蛇形流动路径。再次，每个面可以具有从约30英尺到约40英尺的高度。每个面可以具有从约11英尺到约14英尺的宽度。

继续图9和图10，垂直支撑结构340作为正方形形状中的梁和横梁组是可见的。上挡热板394和下挡热板396覆盖在管屏330之上或之下的上结构钢部分和下结构钢部分。这些挡热板394、396保护这些未冷却的部件免受错过管屏的热吸收表面的热通量泄漏(即来自定日镜的错误目的的光)。挡热板围绕太阳能接收器的周长延伸。挡热板的一端或边缘被拴至或焊接至支撑结构340，并且另一端空闲。挡热板由内侧上和沿着空闲边缘具有加强件的薄不锈钢系组成，以便对抗风和地震载荷。挡热板还可以在拐角处连接，以便提供附加的刚度来避免附接至管。存在用于热膨胀以便减少或防止屈曲的供应物。挡热板在暴露侧上是反射的(例如，涂成白色)并且在内侧上是非绝缘的，以便降低操作温度。在挡热板与管屏之间提供间隙以便允许空气的自然循环用于附加冷却。为了降低装运规格，挡热板可以被现场安装。

依然图9和图10，上炉盖393包围面的上头部400和上管弯头，而下炉盖391包围面的下头部420和下管弯头。炉盖本身由当热板394、396覆盖。炉盖391、393预热接收器屏的未暴露于集中的太阳能热通量的那些区域。电加热器用于预热绝缘的管屏弯头和头部。启动时预热是必要的以便确保在将盐引入太阳能接收器之前与盐接触的所有金属被加热到盐的凝固点之上，由此防止可以引起堵塞的盐凝固和损害部件。在这一点上，应注意的是，炉盖可以是硬的绝缘盒子，所述盒子内具有电加热器元件，或者可替代地可以是如绝缘的加热毯等软盖。

如最佳地在图10中所见，绷板支柱支撑系统346用于将每个管屏330附接至垂直支撑结构340。这种系统提供了管屏的水平(横向)稳定性，同时允许管独立且自由地垂直(轴向地)延伸，这减小了管压力。所有管屏被顶部支撑并从接收器内部的支撑结构340处悬挂。应注意的是，每个水平(上/下)的每个面上的相邻管屏的头部与彼此横向地(水平地)分离。分离每个面的头部允许每个管屏区别地延伸，这对减小压力来说是必要的，因为每个管屏330将操作于比先前管屏更高的温度。所有管屏由薄壁的松散的切管构成，所述切管允许管到管的差异膨胀以及减小的管压力。管附接允许管屏在水平和垂直两个方向上的无限制热膨胀，由此消除附加的管压力。这些设计特征最大化灵活性并最小化热压力和管弯曲的可能性。管可以被涂覆(如涂成黑色)以便增强太阳能吸收。光吸收黑涂料或氧化物可用于此目的。

最后，在图9和图10中，起重机344位于太阳能接收器的顶部或最高点，以便促进管或屏置换。接入平台306存在于面/管屏的底部，并且另一个接入平台存在于面/管屏之上。平台还可以位于每个支柱海拔处。入口容器390、下水管道322和入口管道402也在图10中可见，并将在本文中被进一步解释。

图11和图12展示了HTF的流动路径。这将使用熔盐作为HTF来进行描述。

首先转到图11，将“冷”熔盐从冷存储罐301通过升流管道324泵送至塔上进入入口容器390，所述入口容器充当过量熔盐的加压储蓄器。在流向塔的盐由于泵故障或一些其他原因被停止的情况下，入口容器390中的熔盐可以继续提供盐流动并冷却至太阳能接收器的面，同时通过重新定向定日镜来远离太阳能接收器进行聚焦从而将热量从管中移除。熔盐从入口容器390流动通过入口管道402到达接收器的北角落，并分成两个平行的流动路径。流动路径中的一条流动路径进入NE面入口352，并且另一条路径进入NW面入口362。一般而言，两条流动路径的入口位于共同的角落。入口的位置取决于熔盐流动通过接收器的方向。如果接收器位于北半球，则熔盐流动的方向为从北向南，并且如果接收器位于南半球，则熔盐流动的方向为从南向北。在NE面和NW面的内部，盐被来自定日镜场的聚焦在管屏中的管上的集中的太阳能加热。上头部400、下头部420和跳线管道414被展示以便提供管屏的参考点。

来自NE象限的熔盐随后“跨越”到SW象限，并且来自NW象限的熔盐“跨越”到SE象限。跨越的意图是平衡由太阳能吸收自然的从东到西变化引起的盐温度的东/西差异。在SE和SW象限中盐加热继续，所述象限还由多个上下蛇形管屏组成。

这种跨越的管道在图11中可见。第一跨越管道348将NE面出口354流体地连接至SW面入口382。第二跨越管道349将NW面出口364流体地连接至SE面入口372。熔盐随后在南角落退出SE面出口374和SW面出口384。这种熔盐具有约850°F或更低的温度，并且直接管道输送至下水管道322。出口管道403将SE和SW面出口流体地连接至下水管道322。

下水管道在大气压下操作，并且排放大气(由参考号404指示)。盐然后在重力作用下流动到塔下并流动至热存储罐302。这完成了能量收集过程。热熔盐中存储的热能可以被电厂自行决定地使用，以便生成蒸汽和/或电。

图12是图示，示出了熔盐流动通过太阳能接收器中的两条平行独立的流动路径之一，所述流动路径通过NE和SW面。首先，入口容器390位于面350、380(所述面中的每个面具有四个管屏)之下。示出了管屏之间的跳线管道414。升流管道324向入口容器390提供“冷”熔盐。入口管道402将入口容器390流体地连接至NE面入口352。NE面出口354通过跨越管道348流体地连接至SW面入口382。出口管道403将SW面出口384流体地连接至下水管道322。

还可以存在旁路线，所述旁路线通过将入口管道402连接至下水管道322来允许熔盐绕过所有太阳能接收器面。当面和炉盖被预热以便降低屏中盐凝固的风险时，这通常在启动时完成，或者在晚上完成，以便保持塔管道温暖从而避免激励伴热。旁路线432将升流管道324连接至入口容器390的下水管道322上游。旁路线可以位于靠近地面线的低海拔处或位于太阳能接收器栖息的塔内。阀门控制流动通过旁路线。

尽管未展示，但是类似的流动路径存在于太阳能接收器中的NW和SE面。第二入口管道将入口容器流体地连接至NW面入口。应注意的是，一个共同管道通常退出入口容器，并且然后分裂形成供给两条流动路径的两个入口管道。NE面出口通过第二跨越管道流体地连接至SE面入口。第二出口管道将SE面出口流体地连接至下水管道。熔盐可以从入口容器流动通过NW面和SE面到达下水管道322。

在一些实施例中，出口容器392可以位于面380和下水管道322之间。图12包括虚线中的可选的出口容器392。与直接到达下水管道322相反，熔盐从SW面380经过出口管道405到达出口容器392，并且随后到达下水管道322。

太阳能接收器的面/管屏是完全可排水的和可排气的。当日落时未使用或当可用太阳能太低时，接收器通常被排尽。传统熔太阳能盐在大约430°F(221℃，494°K)时凝固。如果未流尽，盐(传统或更低凝固点类型)可能在管内凝固并塞住接收器。如图11和图12中看到的，太阳能接收器可以包括针对每条独立流动路径的排气阀门406。排气阀门通常位于下水管道322顶部附近，并且还展示了将流动路径连接至下水管道的排气管道416。

还示出了针对每条独立盐流动路径的流动控制阀门408。流动控制阀门自动且独立地调节熔盐的流动，以便在其退出流动路径时控制熔盐的最终温度从而满足设置点温度。流动控制阀门通常位于为流动路径提供冷盐的入口处。

太阳能接收器还可以包括排水阀门410。一个排水阀门通常提供给管屏中的每一对，并且位于管屏下方。排水管道412也被展示并连接至下水管322，从而使得存在于管屏中的熔盐排水并流入下水管道322中。排气阀门、流动控制阀门和排水阀门是自动的。

再次参照图11，每个管屏包括入口头部和出口头部。将管屏对齐从而使得头部被安排在下头部420和上头部400的组中。还展示了相邻头部之间的跳线管道414。

在此，NW流动象限和SE流动象限中的管屏的头部处于比NE流动象限和SW流动象限中的管屏的头部更高的海拔。各种管屏的头部和管弯头可以由此重叠。这减小了接收器的装运规格，允许卡车装运，并且还允许易于从接收器内部进行访问以便进行管修复/置换。更一般地，一个面中的上头部与相邻面中的上头部处于不同海拔，并且一个面中的下头部与相邻面中的下头部也处于不同海拔。实际上，一个面中的上头部和下头部与两个相邻面中的上头部和下头部处于不同海拔。由于对于面而言，管屏的高度通常是相同的，因此这意味着例如，如果NW流动象限中的上头部处于比NE流动象限中的上头部更高的海拔，则NW流动象限中的下头部也处于比NE流动象限中的下头部更高的海拔。海拔是相对于地面线的。

管屏的数量和管的尺寸被设计成用于为给定的太阳能接收器热额定和相应盐流动提供充足的冷却。然而，只要管金属温度和压力是可接受的，则本公开的太阳能接收器是灵活的，并且根据太阳能接收器的期望的热额定和相应盐流动，不同数量的管屏和/或其他管尺寸是可能的。尽管图9展示了正方形太阳能接收器(在平面视图中)，但是其他平面几何图形是可能的，例如，圆形的、矩形的、六边形的、八边形的、n侧多边形的等。相信正方形接收器提供了最大化加热表面区域同时仍然紧凑的优点，所述优点降低了装运成本。应注意的是，正方形接收器是矩形几何体的特殊情况。

尽管管道被展示为相对直的流动路径，但是本领域技术人员将理解的是，它们根据安排和长度的实际设计将由适应太阳能接收器操作期间的热膨胀和热收缩引起的期望的运动所需要的灵活度确定。由此，可能的是，附加的弯曲或长度可能是必要的，以便提供这种灵活性。

由于太阳能接收器是工厂组装的，并且将被水平地运送以及然后建造在垂直位置中，因此在两种条件期间或在两种条件中提供对切管屏的充分的支撑是重要的。可以使用同样用于工厂组装太阳能接收器的装运固定装置来将太阳能接收器在水平位置中装运，并且当在防止接收器损坏的场中将接收器向上竖直时，其确保适当的举起。装运固定装置由形成装运太阳能接收器所根据的基础结构的一系列梁和钢轨构造。具有轴承的支撑底座存在于装运固定装置的一端上，以便支撑太阳能接收器的底端。这种特征允许接收器被向上竖直并使用一个起重机从装运固定装置中举起。

图13是示意图，展示了流体流动通过像图3至图7中所使用的蒸汽生成系统220(SGS)。简要地，给水240顺续地流动通过预热器242、蒸发器244和过热器248，以便生成蒸汽，所述蒸汽然后用于动力或非动力应用(由参考号250指示)。在一些实例中，所述使用可以导致更低温度/压力蒸汽，所述蒸汽可以被发送至再热器246以便吸收附加热能，所述蒸汽然后可以作为给水再循环通过路径252，或者可以通过路径253用于另一种工艺。给水逆流流向熔盐。来自热存储罐的热流体(熔盐)207顺序地流动通过过热器248、蒸发器244和预热器242，并作为冷流体209退出，所述冷流体被发送至冷存储罐组。热流体207还可以流动通过再热器246到达回热蒸汽，所述流体然后经由路径251被发送至蒸发器244。注意，预热器、蒸发器、过热器和再热器热交换器都是工厂组装和可卡车装运的，允许降低成本的情况下更快的安装。这允许这些部件的各种布局，以便减少盐管道的长时间运行。图13中所示出的SGS描绘了电力生产的典型安排。如更早描述的，包括SGS的热交换器的类型和安排取决于应用所需要的蒸汽和给水条件。例如，工艺应用可能仅需要仅预热器和蒸发器，但是还可能需要过热器。

已经参照示例性实施例描述了本公开，并且不旨在仅限于前述示例。显然，基于对前述具体实施方式的阅读和理解，其他人将想到多个修改和变更。在本公开的一些实施例中，在没有相应地使用其他特征的情况下，本文中描述的某些特征有时可用于获得优势。意图的是本公开被解释为在它们进入所附权利要求书或其等同物的范围内的前提下包括全部这类修改和变更。