组合循环电力设备的制作方法

专利名称：组合循环电力设备的制作方法
技术领域：
本申请涉及包括热能存储系统的组合循环电力设备(combined cyclepower plant)0
背景技术：
组合Brayton循环系统和Rankine循环系统的热电设备是公知的，其中在热回收 蒸汽发生器(HRSG)中使用从废弃的Brayton循环流体中回收的热以产生或增加用于在 Rankine循环系统中膨胀的蒸汽的生成。与单循环系统相比，这些已知的顺序组合两种热力 学循环的组合循环系统可以提供更高的工作效率和/或更快的启动。

发明内容
概括地说，本文公开一种方法和组合循环电力设备，其中将居间热能存储单元用 于存储从该设备的采用热力学顶循环(top thermodynamiccycle)发电的部分获得的废弃 或剩余的热能，从而所存储的剩余的热能可以用作在该设备的采用热力学底循环(bottom thermodynamic cycle)额外发电的部分中的能源。从而，本文公开的方法包括(a)使用通过热力学顶循环工作的第一顶循环热机 产生电能和剩余的热能，(b)存储至少一部分所述剩余的热能，以及(c)使用至少一部分所 存储的剩余的热能以在通过热力学底循环工作的第一底循环热机中产生额外的电能。一些 方法可以包括存储全部回收的剩余的热能，而其他方法可以包括存储一部分回收的剩余的 热能的并转移一部分剩余热能用于经由热力学底循环而直接用于发电。所述方法可以包括使用任何合适的燃料或能源以驱动顶循环热机。例如，可以使 用太阳能，例如从塔式太阳能阵列(例如多塔太阳能阵列)、使用抛物面槽的太阳能阵列或 线性Fresnel反射器太阳能阵列收集的太阳能。可替代地或额外地，可以使用诸如化石燃 料和/或生物质衍生的燃料的燃料以对顶循环热机供能。在特定情况中，除了所存储的热 能之外，可以使用补充的能源(例如太阳能、化石燃料和/或生物质衍生燃料)，以驱动底循 环热机。所述方法可以包括使用用于产生电能的顶循环热机和底循环热机的任何合适 的组合发电。例如，在一些变型例中，顶循环热机可以使用Brayton循环，这种顶循环热机包括通过天然气供能的重型Brayton循环涡轮机或者通过天然气供能的航改式 (aeroderivative)Brayton循环涡轮机。外部加热模式的Brayton循环热机是可能的，并且 如果热在这些热机的膨胀与压缩部分之间再生，认为外部加热的模式使用Ericsson循环。 太阳能热是可应用于Brayton循环或Ericsson循环热机的外部热的一种形式。底循环热 机可以使用Rankine或Kalina循环，其中工作流体经历相变。从而，所述方法可以包括压 缩、加热和通过第一涡轮膨胀第一工作流体以驱动使用热力学顶循环的第一发电器，在第 一工作流体膨胀之后存储包含在该第一工作流体中的剩余的热能，利用所存储的热能加热 第二工作流体，以及使用经加热的第二工作流体通过第二发电器例如在Rankine循环热机 中产生电能。在热力学顶循环和底循环中可以使用任何合适的工作流体，例如，第一工作流 体可以主要包括空气(例如环境空气)，第二工作流体可以包括蒸汽、水、蒸汽/水混合物、 或烃流体。如果该设备在其热力学底循环中包括Rankine循环热机以发电，例如，所述方法 可以包括，利用所存储的热能加热第二工作流体，以及通过与第二发电器耦合的第二涡轮 使经加热的第二工作流体膨胀。在Rankine循环热机的一些变型例中，可以通过一组多个 膨胀级，例如多个涡轮，使经加热的被压缩的第二工作流体连续膨胀。在这些变型例中，所 述方法可以包括在膨胀级之间再加热第二工作流体，在一些变型例中，可以利用从顶循环 热机中回收的所存储的热能进行所述再加热。所述方法可以包括利用任何合适的居间热能存储系统存储从顶循环热机回收 的剩余热能。例如，可以使用这样的热能存储系统，其使用包括如下材料的热能存储介 质集料(aggregate)、沙、混凝土、熔盐、或相变材料(例如石蜡、脂肪酸或盐合水(salt hydrate))或其组合。所述方法可以包括将从顶循环热机回收的剩余热能存储任何希望的时间长度。例 如，在一些情况中，可以短时间存储所存储的热能，例如约15分钟或更短的时间。在其他情 况中，可以将所存储的热能存储更长的时间，例如长于约15分钟的时间，例如几个小时。在 一些情况中，可以基于24小时循环确定存储周期。所述方法可以包括根据能量需求调节存 储时间，例如调节所回收的剩余能量的存储时间，从而顶循环热机和底循环热机的组合电 输出满足波动要求、底线要求和/或峰值要求。因此，电力设备可以通过从顶循环热机累积剩余热并在例如白天或夜晚的不同时 间在底循环热机中使用剩余热而“时移(time-shift)”发电。电力设备还可以在电力设备 的其他区域中包括热能存储。例如，热能存储单元可以累积用于对顶循环热机供能的热并 根据需要放热以继续从顶循环热机产生电能，从而补充或替代用于对顶循环热机供能的主 热源(例如天然气)。在一个实例中，用于顶循环热机的热能存储单元在800C和1200C之 间的温度下存储热能。所述方法可以用于高效率发电，例如约60%或更高、约65%或更高、约70%或更 高的来自顶循环热机和底循环热机的组合效率。在一些情况中，顶循环热机和底循环热机 之间的容量和/或效率可以基本匹配。这些方法可以使用各种方案以增加顶循环热机和底循环热机的组合效率。例如， 可以有多个并行工作的并使用相同的热力学循环的顶循环热机(例如多个Brayton循环涡 轮)，所述方法可以包括从所述组中的一些或全部热机累积和存储剩余的能量，并使用累积的所存储的剩余能量驱动大的有效的单个底循环热机，该底循环热机可以是Rankine循环 热机。在其中从多个顶循环热机(例如多个Brayton循环热机)累积剩余能量的方法中， 可以获得至少为约65%或更高的组合效率。如上所述，在这里还公开了电力设备。概括地说，所述电力设备包括一个或多个 顶循环热机，其被配置为产生电能；一个或多个底循环热机，其被配置为产生电能；以及一 个或多个居间热能存储单元，其被配置为存储从所述顶循环热机回收的剩余热能，从而来 自所述顶循环热机的所存储的剩余热能可以用于操作一个或多个底循环热机。例如，顶循 环热机可以包括Brayton循环热机(例如重型气体涡轮(gas turbine)或航改气体涡轮)； 底循环热机可以包括Rankine循环热机。从而，在一些变型例中，所述顶循环热机可以包括用于压缩第一工作流体的第一 压缩机、用于加热所述压缩的工作流体的第一加热级、以及用于使所述第一工作流体膨胀 以驱动第一发生器的第一涡轮。可以使用任何合适的能源以对顶循环热机中的第一高温加 热级供能，例如来自线性Fresnel太阳热阵列、高会聚中心接收器型太阳热阵列(例如多塔 太阳能阵列)、抛物面盘太阳热阵列的太阳能、化石燃料、生物质衍生燃料或其任何组合。底循环热机可以包括与热交换器流体连通的Rankine循环热机，以将来自顶循环 的废热输送到底循环工作流体(通常为水)和第二涡轮中。第二涡轮被配置为使第二工作 流体膨胀以驱动第二发生器。第二工作流体可以仅仅用从顶循环热机回收的所存储的热能 而被加热，或者可以额外地使用诸如太阳能、化石燃料、生物质衍生燃料或其任意组合的补 充能源。在设备的后面的一些变型例中，第二涡轮可以包括多个用于顺序膨胀第二工作流 体的多个膨胀涡轮。可以提供或不提供再加热级以在连续膨胀之间再加热工作流体。如果 使用，可以通过从顶循环热机获得的所存储的热能、太阳能、化石燃料、生物质衍生燃料、或 其任意组合对再加热级供能。在一些设备中，可以包括多个并行工作的顶循环热机，(例如Brayton循环热机)， 并且单个或多个居间热能存储单元可以被配置为累积和存储从组中的每个热机获得的热 能。在这里描述的设备的居间热能存储单元可以包括任何合适的结构和热能存储介 质。例如，根据温度范围，热能存储介质可以使用包括如下的热能存储介质集料、岩石、沙、 混凝土、熔盐、固体金属氧化物、固体金属氮化物、或其组合。另外，可以选择第一和底循环热机和居间热能存储单元的任何组合的特征和/或 设置，以提高组合循环系统的总收集效率。在一些实例中，顶循环热机和底循环热机可以呈 现约60%或更高、约65%或更高、约70%或更高的组合效率。所述设备可被配置用于各种电能供应作用。例如，所述设备可以被配置为负荷跟 踪设备(load following plant)，例如太阳能供能的负荷跟踪设备。设备的变型例可被配 置为提供底线量的电能或峰值量的电能。设备的特定变型例还可以包括除了居间热能存储单元之外的用于存储从顶循环 热机获得的剩余热能的热能存储单元。从而，可以使用一个或多个热能存储单元以在适于 在后面的时间对一个或多个顶循环热机供能的温度下存储超出对顶循环热机供能所需的 热而过剩的热。从由顶循环热机排放的液流或气流获得的过剩的热能可被保持在居间热存 储单元中。
7
这里公开的电力设备可以包括用于加热用于顶循环热机和/或底循环热机的工 作流体的能量供应相关的附加特征。例如，所述设备可以包括接收器，用于吸收从一个或多 个反射器反射的太阳能辐射，并且所述接收器又可以直接加热第一工作流体，或者加热工 作流体以通过热交换而间接加热所述第一和/或第二工作流体。这些接收器的变型例可以 包括难熔芯(refractory core)，其被配置为吸收入射的太阳能并存储所产生的热能以在 太阳能入射辐射中抑制短期波动。接收器可以在芯中和/或芯周围包括一个或多个流体通 道，通过所述通道可以输送工作流体以从芯提取所存储的热能。可替代地，接收器可以使用 吸收丝(absorbing filament)结构(容积接收器(volumetric receiver))以在压缩输入 的空气或气体并将其传送到顶循环热机之前加热输入的空气或气体。所述电力设备可以具有任何布局或结构。例如，电力设备接收器可以安装在塔上， 并且反射器(例如1或2轴定日镜(heliostat))的阵列可以用于将会聚的太阳能辐射引导 至接收器。如果一个或多个顶循环热机为例如Brayton循环热机，热机的压缩机也可以安 装在塔上。在其他变型例中，接收器可以安装在地平面(ground level)处或地平面附近。 在这些情况中，电力设备可以包括反射器，用于从反射器(例如定日镜)阵列接收太阳能辐 射并将反射的太阳能辐射向下重新引导至接收器。从而，这里描述的电力设备可以包括用于压缩顶循环工作流体的装置；使用太 阳能在顶循环工作流体的压缩之后实现对顶循环工作流体的加热的装置；第一涡轮，其耦 合到用于发电的第一装置，并且通过该第一涡轮，第一工作流体被操作膨胀以驱动第一发 电装置；以及热能存储装置，其被设置用于在第一工作流体通过第一涡轮膨胀之后存储包 含在第一工作流体中的剩余的热能。在一些电力设备中，第二涡轮可以耦合到用于发电的 第二装置并用于接收加热的第二工作流体，所述第二工作流体通过第二涡轮被操作膨胀以 驱动第二发电装置。与热能存储装置热连通的热交换器将热量从存储装置传递到第二工作 流体。例如，这里描述的特定电力设备可以包括压缩机级，用于压缩第一工作流体；加 热系统(例如太阳能供能的加热系统)，用于在压缩第一工作流体之后实现对第一工作流 体的加热；第一顶循环涡轮，其耦合至第一发电器，并且第一工作流体通过该第一顶循环涡 轮而被操作膨胀以驱动第一发电器；热能存储系统，被设置为在第一工作流体通过第一涡 轮膨胀之后存储包含在第一工作流体中的剩余热能；以及第二底循环涡轮，其耦合至第二 发电器，并被设置为接收在通过第二涡轮而被操作膨胀的加热的第二工作流体以驱动第二 发电器，其中，通过使用热能存储系统内的所存储的热能来操作实现对第二工作流体的加 热。通过下面的包括发电的方法的实例和组合循环电力设备的实例的描述，本申请将 得到更全面的理解，其中参考附图给出所述描述。


图1示出组合循环电力设备的变型例的基本组成的框图表示；图2示出组合循环电力设备的变型例的另一框图表示；图3示例出组合循环电力设备的变型例的又一框图表示；以及图4示出与这里描述的电力设备(例如图1-3中所示例的任一变型例)的各个工
8作循环相关的发电器的随时间变化的电力输出。
具体实施例方式总体上，这里公开的方法和相关的组合循环电力设备在使用两种不同热力学循环 的热机之间使用居间热能存储系统，从而可以从诸如使用顶循环的蒸汽排出设备的处理流 (process stream)回收剩余的或废弃的热能，并在用于使用一个或多个底循环的一个或多 个热机之前存储该剩余的或废弃的热能。所述能量产生方法和相关的组合循环电力设备可 应用于任何二循环能量产生系统，其中从顶循环中包括的处理流回收的剩余能量用作驱动 使用底循环的热机的能源。例如，这里描述的组合循环电力设备包括使用Brayton循环的气体涡轮；居间热 能存储单元，其被配置为存储从Brayton循环气体涡轮回收的剩余热能，从而所存储的热 能可以用于加热Rankine机中的第二工作流体(例如蒸汽)。可以使用诸如重型气体涡轮 的工业Brayton循环热机或航改(喷射式热机)Brayton循环气体涡轮。在这里公开的方法和电力设备中，可以在选择满足电力供给要求时实现通过使用 所存储的热能对底循环中的第二工作流体的加热(以及随之发生的对第二涡轮的启动)。 从而，在各种实施例中，这里描述的方法和电力设备可以用于提供满足负荷要求的瞬间变 化，或者以合适的热能存储水平提供延伸的电力供应。从而，所述电力设备可以被配置为负 荷跟踪电力设备，以供应底线量的能量，提供峰值要求能量，及其组合。还应注意，除非在上下文中明确指出，术语“一个”和“所述”表示包括单数和复数 对象。这里使用的数值范围表示包括表示范围的任何端点以及所述范围中包括的任何数 值。这里使用的“主要地”旨在表示至少约50%。“顶循环”或“热力学顶循环”是具有例如 第一温度范围的热力学循环。“底循环”或“热力学底循环”是具有例如低于顶循环的温度 范围的温度范围的热力学循环。在已排出例如发电的并使用顶循环的涡轮或其他设备的处 理流中剩余的热可用于例如使用底循环的涡轮或其他设备中以发电。仅仅为了方便和清楚，下面在两个分别表示的部分中描述用于产生电能的组合循 环电力设备和方法。该详细描述的组织不意味着任何限制。例如，关于组合循环电力设备 描述的任何特征可以用于产生电能的方法中。I.电力设备在此公开电力设备。一般而言，所述电力设备是组合循环电力设备。也就是说，所 述电力设备包括第一热机，其使用顶循环，并被配置为产生电能；以及第二热机，其使用 底循环，并被配置为利用从第一热机的诸如热空气或蒸汽的处理流回收的剩余热能产生电 能。这里描述的组合循环电力设备还包括居间热能存储单元，该居间热能存储单元被配置 为在将从处理流回收的剩余热能用于第二热机之前累积和/或存储该剩余热能。用于对在电力设备中使用顶循环的热机供能的能源可以包括例如太阳能、化石燃 料和/或生物质衍生燃料。在特定变型例中，可以使用多于一种的能源对热机供能，例如太 阳能与化石燃料组合。可以通过能源直接加热或者通过热交换间接加热第一工作流体。如 果使用太阳能驱动采用顶循环的热机，则可以利用任何类型的高温太阳能收集器系统收集 该太阳能，所述太阳能例如为来自高会聚中心接收器型太阳热阵列(例如多塔式太阳能阵 列)、或抛物盘型太阳热阵列、线性Fresnel反射器太阳热阵列、或抛物槽太阳能阵列的太阳能。应指出，所存储的从在顶循环中涉及的处理流回收的剩余热能的量可在设备与设 备之间变化，或者在特定设备中根据操作需要而变化。例如，在一些情况中，来自在顶循环 中所涉及的处理流的全部剩余能量可以被存储在居间热能存储单元中。在另外的情况中， 来自顶循环的处理流的部分剩余能量可以被存储在居间热能存储单元中，并且部分剩余能 量可以立即被用于使用底循环的一个或多个热机中。在特定情况中，居间热能存储单元可 以被绕过(bypass)，从而从在顶循环中涉及的处理流回收的全部废弃能量都被输送到使用 底循环的热机中以立即使用。可以在被选择为满足电力供应要求的时间进行通过使用所存储的热能来加热第 二工作流体(以及随之发生的对第二涡轮的启动)，所述时间包括在日射(insolation)期 间、在超过日射期间的期间和/或在日射期间之间的时间。在各种实施例中，可以采用组合 循环电力设备以提供满足负荷要求的瞬间变化，或者以适当水平的热能存储来提供延伸的 电力传输。从而，通过使用从用于顶循环中的工作流体回收的存储的热能，并且可选地，直接 使用从用于顶循环中的工作流体回收的热能，组合循环电力设备可以被配置为满足各种电 力需求，例如作为负荷跟踪设备、供应底线量的电能、和/或供应满足峰值电力需求的电 能。另外，如本文更详细描述的，通过改变所存储的废弃能量的量、改变居间热能存储单元 中的存储时间、以及/或者通过累积和存储来自使用一个或多个顶循环的几个热机的废弃 能以用于使用底循环的单个热机，可以调节组合循环电力设备的总效率。在一些电力设备中，顶循环的一个或多个热机可以是Brayton循环，例如工业 Brayton循环热机(例如重型气体涡轮)或航改Brayton循环热机。从而，组合循环电力设 备的使用顶循环的热机可以包括用于压缩第一工作流体的第一压缩机、用于加热经压缩的 第一工作流体的第一加热级、以及用于膨胀第一工作流体以驱动第一发生器的第一涡轮。使用底循环的热机在一些变型例中可以是Rankine循环热机。在那些情况中，使 用底循环的热机可以包括第二涡轮，经加热的处理流通过该第二涡轮。从居间热能存储单 元提取的所存储的热能可以用作在第二加热级中加热第二工作流体的一种能源。除了所述 存储的热能之外，在第二级中可使用其他能源，例如，从顶循环回收的非存储的废弃热能、 太阳能、化石燃料和/或生物质衍生燃料。组合循环电力设备的一些变型例可以包括使用Brayton循环的第一热机和使用 Rankine循环的第二热机。从而，电力设备包括用于压缩第一工作流体的第一压缩机级； 加热系统，其在一些情况中可以包括太阳能收集器系统，以在压缩第一工作流体之后实现 对第一工作流体的加热；以及耦合至第一发电器的第一涡轮，所述第一工作流体通过该第 一涡轮而被操作膨胀以驱动第一发电器。这些电力设备还包括居间热能存储系统，被设置 为在第一工作流体通过第一涡轮膨胀之后存储包含在第一工作流体中的剩余热能；以及第 二涡轮，其耦合至第二发电器，并被设置为接收在操作中通过第二涡轮而被膨胀的经加热 的第二工作流体以驱动第二发电器。通过使用在居间热能存储系统内的所存储的热能，在 操作中至少部分地实现对第二工作流体的加热。在组合循环电力设备中，在顶循环和底循环中使用的工作流体可以是任何合适的 工作流体。当顶循环是Brayton循环时，第一工作流体可以包括任何适于通过气体涡轮而
10膨胀的稳定的非易燃性气体。例如，第一工作流体可以主要包括空气，例如，作为通常(但 不是必须)的情况，第一工作流体被引导通过开放性循环系统并排出到大气中。第二工作流体可以可选地包括烃流体或其他适于通过涡轮(即第二涡轮)而膨胀 的流体。在一些情况中，根据用于底循环的设备中的第二工作流体的位置，第二工作流体包 括蒸汽、水、或水混合物，例如蒸汽/水混合物。当处于水或蒸汽/水混合物的形式时，第二 工作流体可通常被加热至从约200°C至约400°C或从约300°C至约400°C范围内的温度，更 高和更低的温度也是可行的，例如，从约700°C至约800°C的温度。另外，如在这里更详细的 描述，第二涡轮可以可选地包括多级涡轮设置，并且在级间传输的第二工作流体可以被引 导通过再加热级，在一些情况中可以通过从居间热能存储系统提取的热能而对所述再加热 级至少部分地供能。用于这里公开的组合循环电力设备中的居间热能存储系统可以可选地包括任何 (固体、液体、或固体加液体)热能存储介质，包括包含通过吸收和释放热能可逆地改变相 的材料的热能存储介质(潜热存储)、以及将热首先存储作为焓的热能存储介质。在特定变 型例中，用于电力设备的热能存储介质可以包括集料、粉末、固体块的热能存储材料、以及 /或液体。膨胀之后包含剩余热能的第一工作流体可被放置为与热能存储介质物理和/或 热接触，或可被承载在与热能存储介质热接触的一个或多个管道中。可以使用的热能存储 材料的非限制性实例包括包含诸如石英的矿物的岩石、集料、沙、混凝土、一种或多种熔盐 (例如硝酸盐、氢氧化物盐、碳酸盐和/或硫酸盐)、及其组合。用于居间热能存储单元的热 能存储材料可以被选择为具有特定热特性，诸如热容、热扩散性、和/或热传导性。例如，通 过调节热能存储介质的组成和/或尺寸而调节该热能存储介质的热质，可以调节热能存储 单元的能量存储容量，并且，通过选择一种或多种热能存储材料的热扩散性和/或热传导 性以及热能存储介质的尺寸、形状和结构，可以调节用于存储和释放热量的时间常数。如上所述，在另一可能的实施例中，热能存储系统可以包括热传导材料的聚集体， 例如传导性土质材料、或传导性土质材料与金属的混合物，第一工作流体与其热接触，例 如，在第一工作流体通过第一涡轮而膨胀之后使第一工作流体引导通过所述聚集体(利用 或者不利用导管以传输工作流体)。热能存储系统的一些实例包括与本申请同时提交的 名禾尔为 “Granular Thermal Energy Storage Mediums and Devices for ThermalEnergy
Storage Systems”的美国专利申请No._(代理标签号No. 62715-2001800)中提供的聚
集介质，在此通过参考引入其整个内容。如果使用液体作为热能存储介质，则可以使用用于容纳液体的任何合适的罐结 构，例如，已知的温跃层热能存储系统或两罐式热能存储系统。在特定变型例中，可以将液 体与固体组合以形成热能存储介质，例如可以将岩石、石头、沙等置于熔盐浴(bath)中以 形成热能存储系统。在一些组合循环电力设备中，例如，其中第一工作流体包括水和/或蒸汽，并且热 能存储系统可以包括在地下存储器皿(subterranean storagevessel)中保持(在压力下) 处于其液相的水，例如在分别在2006年7月14日和2006年9月28日提交的澳大利亚临 时专利申请2006903801和2006905367以及在2007年7月13日提交的国际专利申请PCT/ AU2007/000980中所公开的，在此通过参考引入其每个的整体内容。所述电力设备的特定变型例除了包括上述居间热能存储系统之外还可以包括热
11能存储单元。例如，可以在设备中包括热能存储单元，用于在膨胀第一工作流体以发电之前 存储来自在顶循环中经加热的压缩的第一工作流体的至少部分热。可替代地或额外地，设 备可以包括这样的热能存储单元，其用于在使用第二工作流体之前存储来自底循环中的经 加热的第二工作流体的至少部分热量。从而，组合循环电力设备可以被配置为用于存储顶 循环中的、底循环中的、和/或第一与底循环之间的热能。可以使用任何或全部所述热能存 储单元或系统，例如用于在使用太阳能作为能源时适应低日晒时长，以提高设备效率，和/ 或调节设备的输出以满足峰值或底线能量需求。这些额外的热能存储单元可包括这里描述 的、现在已知的或后来发展的任何热能存储系统。可以选择和操作诸如使用顶循环和底循环的热机的设备和居间热能存储单元，以 例如提高组合循环系统的总收集效率或其他性能量度，例如峰值输出、底线输出或波动水 平。在一些实例中，使用顶循环和底循环的设备或包含它们的电力设备可以呈现约60%或 更高、约65%或更高、约70%或更高、约75%或更高、或者约80%或更高的组合效率。从 而，这里描述的电力设备和相关方法可以用于提供可满足负荷要求中的瞬间变化的高效电 力和/或提供延伸的电力传输。在特定变型例中，所述设备可被配置为负荷跟踪设备，例如 太阳能供能的负荷跟踪设备。如上所述，在一些情况中，可以使用太阳能作为电力设备的顶循环和/或底循环 中的能源，例如以加热分别用于顶循环和底循环中的第一和/或第二工作流体，或者再加 热这里所描述的连续膨胀之间的工作流体。当使用太阳能作为能源，可以结合电力设备使 用任何类型的高温太阳能收集系统，例如来自高会聚中心接收器型太阳能阵列(例如多塔 式或高架(elevated)太阳热阵列)、或者例如抛物盘太阳热阵列、以及其他上述太阳热阵 列的太阳能。顶循环中的第一工作流体可以被直接加热，或者经由热交换而被间接加热。例如， 可以可选地通过与自身被太阳辐射加热的另外的工作流体进行热交换而加热第一工作流 体。在一个实施例中，第一工作流体可以通过在至少一个接收器中的热交换而被加热，其中 从反射器的一个场或多个场将太阳辐射反射到所述接收器上。在电力设备的特定实施例 中，接收器或者多个接收器(如果存在多个)中的每一个接收器可以可选地包括高架(例 如塔式安装的)或地面安装的腔型接收器，其中例如从一场定日镜型会聚反射器将太阳辐 射反射到所述接收器上。另外，这样的接收器可以可选地用于经由热交换而间接加热第二 工作流体，且例如可以在从顶循环回收的热能之外提供补充能源以供热和/或加热底循环 中的再加热级，例如膨胀循环之间的再加热级。在特定变型例中，可以将腔型接收器配置为接收和存储热能。在与本申请同时 W^^^J “Integrated Solar Energy Receiver-Storage Units" W^H^^J^it
No._(代理标签号No. 62715-2000400)(在此通过参考引入其整个内容)中提供了可以
用于接收和存储热能的这样的腔型接收器的非限制性实例。例如通过居间热交换流体，可 以间接地进行在接收器(例如能够接收和存储热能的集成接收器)与工作流体(例如第一 工作流体)之间的热交换。然而，例如可以通过使第一工作流体在通道中通过用于吸收热 能的接收器，可选地进行对第一工作流体的直接加热，其中所述热能是通过在接收器的太 阳辐射吸收芯中吸收会聚的太阳能而产生的。在用于用作这里公开的电力设备的能源的太阳能收集器系统中的一个或多个反
12射器场中，一个或多个反射器可以可选地包括任何类型的两轴定日镜，包括具有固定垂直 轴的定日镜，但是希望地是包括具有固定水平轴的定日镜，例如在2008年1月29日提交
的名称为 “Solar Energy CollectorHeliostats"的国际专利申请 PCT/AU2008/_和
2007年1月29日提交的澳大利亚临时专利申请2007900391中所公开的，在此通过参考引 入其每个的整个内容。另外，可以使用例如在2008年1月29日提交的国际专利申请PCT/ AU2008/000096和2007年1月29日提交的澳大利亚临时专利申请2007900390中所公开的 类型的防撞太阳能跟踪系统(在此通过参考引入其每个的整个内容)，以驱动反射器场中 的定日镜。另外，可以可选地将多个塔定位在反射器的单个场或多个反射器场中的每个场 中。在这些可选情况的任一情况中，可以控制和驱动反射器以朝向单个接收器取向或者从 一个接收器向另一个接收器再取向，以优化太阳能收集并使反射器遮挡的可能性最小化。 在1999年5月4日授权给DavidMills的美国专利5，899，199中描述了可以被再取向以将 入射太阳辐射从一个塔引导至另一个塔的反射器的非限制性实例，在此通过参考引入其整 个内容。在本发明的一个(但非必需的)实施例中，可以靠近塔式安装的接收器地将压缩 机安装到塔上。在一些变型例中，可以将第一涡轮和第一发电器安装到塔上。然后可以将 第一工作流体管道输送(或邻近)地面水平，以在其通过第一涡轮的膨胀之后可以进入热 能存储系统。所述存储系统可以可选地包括任何(固体或液体)存储介质，包括至少部分依靠 潜热的介质，即，通过吸收和释放热能可逆地改变相的介质。然而，在本发明的一个实施例 中，所述存储系统包括在地下存储容器中(在压力下)维持为其液相的水，例如分别在2006 年7月14日和2006年9月28日的澳大利亚临时专利申请2006903801和2006905367以及 国际专利申请PCT/AU2007/000980中所公开的，在此通过参考引入其每个的整个内容。在 本发明另一可能的实施例中，存储系统包括热传导材料的集料，例如，传导性土制材料、或 者传导性土制材料与金属的混合物，通过其第一工作流体在其膨胀之后被通道输送通过第 一涡轮。现在参考图1-2，示出了组合循环电力设备的各个实例。对于图1所示例的实例， 组合循环电力设备1包括两个互连的电力产生系统；其中的第一个(用数字10表示)使用 准Brayton或准等温Brayton顶循环，其中的第二个(用数字11表示)使用准Rankine底 循环。在图1所示的特定变型例中，使用顶循环的热机或系统10包括涡轮压缩机12， 其接纳环境空气形式的第一工作流体；气体涡轮(即第一涡轮)13，其向涡轮压缩机12和 第一发电器14提供旋转驱动。第一工作流体在其压缩之后在加热系统15中被加热，并被 传输到涡轮13，在涡轮13中，第一工作流体通过利用涡轮13膨胀并驱动涡轮13而消耗其 所获取的能量的大部分。用于使用顶循环的设备的加热系统15可以但不必须地包括太阳能收集器系统作 为能源。如上所述，除了或替代太阳能，可以在用于顶循环的加热系统中使用任何能源，例 如化石燃料或生物质衍生燃料。如果使用太阳能收集器系统，其可以包括一个或多个塔式 安装的腔型接收器16，通过反射器17的场将会聚的太阳辐射反射到所述接收器16上，所述反射器17可以是例如这里描述或其他已知的任何定日镜(例如固定垂直轴定日镜或固定 水平轴定日镜)。为了方便，图1中仅示出了 3个反射器17，但是根据涡轮13-发生器14 组(set)的电力输出容量，所述场通常可以包括几百个诸如定日镜的反射器。虽然在图1中未示出，如果接收器16是塔式安装的接收器，压缩机12、涡轮13和 第一发生器14也可以安装在塔上作为塔上的准集成组件。这样的设置可以避免或减少将 非常高温度的空气从接收器16传送到第一涡轮13和第一发生器14可能可选地位于的地 面水平的需要。在通过气体(第一)涡轮13膨胀之后，可以将第一工作流体的至少一部分引导到 居间热能存储系统18，在所述居间热能存储系统18处，包含在第一工作流体中的剩余热能 (通过热交换)释放到热能存储系统18内的如本文所述的热能存储介质。然后，第一工作 流体在消耗了其所获取的能量的全部(或至少大部分)之后可以如数字19所示排出到大 气中。如上所述，电力设备可被配置为调节将要存储的剩余热能的量以及将被引导到使用 底循环的涡轮中以立即使用的回收剩余热能的量。从而，可以使用控制阀(未示出)来调 节包含将被引导到居间热能存储系统18的剩余热能的第一工作流体的量(如果存在)和 将被引导到使用热力学底循环11的涡轮以立即使用的量(如果存在)。如在该说明书在前面指出的，热能存储系统18可以使用具有在任何希望的工作 循环(duty cycle)(例如延续大约24小时的工作循环)或不同的时间周期中吸收、保持、 然后释放热能的能力的类型的多种存储介质中的任何一种。所述电力设备包括第二涡轮20 (例如蒸汽涡轮)，第二工作流体通过闭合回路 (closed loop) 21而被引导通过所述第二涡轮20。第二工作流体根据其在回路21中的位 置而包括冷凝水、饱和蒸汽(湿蒸汽)以及在大多数变型例中的过热蒸汽。过热或饱和蒸 汽进入涡轮20并通过涡轮20而膨胀，并且所产生的消耗的能量用于驱动第二发电器22。 虽然未示出，来自第一发生器14和第二发生器22的电输出中的每一者都可被传输至供电 栅。在通过蒸汽涡轮20膨胀之后，剩余的蒸汽/气化物被传输到冷凝器23，在该处， 通过冷凝器冷却流体而除去热焓和潜热，所述冷却流体被再循环通过冷凝器流体冷却系统 24。冷凝器可以包括多种不同类型的冷凝器中的任一种，包括列管式冷凝器和直接接触式 冷凝器，但是在特定变型例中，冷凝器可以包括其中冷却流体与第二工作流体接触的直接 接触式冷凝器。冷凝器冷却流体冷却系统可以实施蒸发冷却、强制空气冷却、地下热交换或 其任何组合。在可替代(未示出)实施例中，可使用空气冷凝来使来自涡轮20的输出蒸汽 冷凝。在该情况下，如果设备包括诸如由反射器场15表示的太阳能收集器系统，则多个 空气冷凝器可被设置在反射器场15内并从被反射器17遮挡的区域抽取冷却剂空气。
在 2008 年 6 月__提交的名称为 “Convective/Radiative Cooling Of Condenser
Coolant”(代理标签号No. 62715-2000500)的美国专利申请No._和2007年6月6
日提交的名称为 “Convective/Radiative Cooling Of Condenser Coolant”(代理标签号 No. 62715-3000500)的美国临时专利申请序列号60/933，574 (在此通过参考引入其每个的 整个内容)中提供了与这里公开的电力设备结合使用的空气冷凝器的非限制性实例。仍参考图1，通过泵25将液相的第二工作流体从冷凝器23传输至热能存储系统
1418，在所述热能存储系统18中，通过热交换将所存储的热能和可选的补充能源以产生用于 传输至蒸汽涡轮20的过热蒸汽的量而传递至第二工作流体。从而，使用热力学顶循环的第 一系统10提供对具有使用热力学底循环的热机的第二系统11供能所需的热能的至少一部 分，并且热能存储系统18提供关键特征以维持组合循环系统的操作。也就是，例如当来自 第一系统10的输出不足以满足负荷要求或者没有足够的太阳能辐射以所需的水平激励第 一系统10时，热能存储系统18提供第二系统11的操作。图2示例出诸如图1所示的电力设备的一个可能的实施例或变型例。该设备中通 常包括的例如阀和测量装置的辅助设备或特征已从图中省略，因为其对于理解本发明不是 必须的。在图2所示的组合循环电力设备200的实施例中，环境空气形式的第一工作流体 经过空气调节(即过滤和冷却)系统226并被传送到涡轮压缩机212。在压缩之后，在加热 系统215中加热第一工作流体并将其传送到第一涡轮213，第一工作流体通过第一涡轮213 而膨胀以对第一涡轮213和耦合的第一发生器214施加旋转驱动。图2所示的实施例中的加热系统215还可以但不必须包括太阳能收集器系统作 为能源。除了或替代太阳能，在顶循环的加热系统中可以使用任何能源，例如化石燃料或 生物质衍生燃料。如果使用太阳能收集器系统，其可以包括一个或多个塔式安装的腔型接 收器216，其中通过反射器217的场将会聚的太阳辐射反射到所述接收器216上，所述反射 器217例如可以是这里描述或其他已知的定日镜(例如固定垂直轴定日镜或固定水平轴定 日镜)。如在图1的实施例中的情况，反射器217的场通常包括数百个反射器(例如定日 镜)。在特定变型例中，为了通过定日镜217获得增加的地面覆盖，每个定日镜可以包括具 有固定水平轴的定日镜，例如如在2007年1月29日的澳大利亚临时专利申请2007900391 和2008年1月29日提交的名称为“Solar Energy Collector Heliostats”的国际专利申
请PCT/AU2008/_中公开的，在此通过参考引入其每个的整体内容。在一些情况下，可
以使用如在2007年1月29日的澳大利亚临时专利申请2007900390和2008年1月29日 的国际专利申请PCT/AU2008/000096中公开的类型的防碰撞太阳跟踪系统以驱动定日镜。该实施例中的接收器216可以包括太阳辐射吸收芯，该芯包括，例如，难熔材料， 其主要由难熔材料构成、从难熔材料制造或者由难熔材料形成。术语“难熔材料”在本申 请的上下文中理解为这样的材料，其对太阳辐射基本不透明并且当暴露于通过吸收会聚的 太阳辐射形成的温度时保持基本稳定(物理上和/或化学上)，所述温度例如为约800°C 至约1200°C的量级，或者约800°C至约2000°C，例如至少约800°C、至少约1000°C、至少约 1200°C、至少约1400°C、至少约1600°C、至少约1800°C、至少约2000°C。这样的“难熔材料” 可以例如包括难熔金属、陶瓷或金属陶瓷。难熔材料可以包括例如氧化铝、氧化硅、碳、氧 化镁、氧化锆、碳化硅、碳化钛、碳化钽、碳化铬、碳化铌、碳化锆、二硅化钼、氧化钙、石墨、亚 铬酸盐、白云石、菱镁矿、石英岩、硅酸铝、钨、钼、铌、钽、铼、铍及其组合。所述芯可以形成有 或设置有朝下的腔216a，其中通过反射器217(例如定日镜)将会聚的太阳辐射反射进入 所述腔216a。在这些接收器中，所述芯可以吸收入射的太阳辐射，从而将所吸收的辐射转 换成存储在芯中的热能。从而，在特定变型例中，接收器216可以在芯中或环绕着芯包括通 路216b，将第一工作流体在压缩之后可被引导通过该通路216b，以从所述芯提取所存储的 热能，并且经加热的压缩的第一工作流体可以随后进入涡轮213。腔216a的孔216d可以
15与地面基本平行，以减小或消除从腔216a的对流热能损耗。在与本申请同时提交的名称
为 “Integrated Solar Receiver-StorageUnits” 的美国专利申请 No._(代理标签号
62715-2000400)以及2007年6月6日提交的美国临时专利申请60/933，574(在此通过参 考引入其每个的整体内容)中提供了可以与这样的电力设备的变型例结合使用的包括难 熔芯的接收器的非限制性实例。如果所述接收器是容积型的，则所述接收器还可以与所述 场成一角度，以更近地面向所述场。所述电力设备可以可选地包括热能存储单元216c，该热能存储单元216c被配置 为存储来自膨胀前的经加热的压缩的第一工作流体的热，其可被集成到接收器中(例如如 上所述的接收器216的难熔芯中)，或者可以与接收器分离地设置。如果设置热能存储单元 216c，其可以是这里描述的或其他已知或后来发展的任何热能存储系统。如果存在，热能存 储单元可以用于补偿向第一涡轮213传递太阳能时的瞬间中断或减少。在通过涡轮213膨胀之后，第一工作流体的至少部分可以被引入且通过热能存储 系统218，在热能存储系统218处，在第一工作流体中包含的剩余热能(通过热交换)被 释放到热能存储系统内的热能存储介质中。如上面结合图1所述，电力设备可以包括控 制阀(未示出)，以调节可能绕过存储系统218用于立即用于底循环211的膨胀之后的第 一工作流体的量(如果有)。热能存储系统218可以是这里描述的、其他已知的或后来发 展的任何合适的热能存储系统，但是在该特定实施例中可以包括地下存储系统，该地下存 储系统具有埋在聚集的传导性土制材料的阵列中的流体输送管道并可选地使用金属翼片 (fin)。在 2007 年6 月 6 日提交的名称为"Thermal Energy Storage System and Thermal Power Plant IncorporatingSuch System” 的美国临时专利申请 60/933，637 (代理标签号 No. 62715-3000900)以及与本申请同时提交的名称为 “Granular ThermalEnergy Storage
Mediums and Devices for Thermal Energy StorageSystems，，白勺美国专禾串i青_(代
理标签号No. 62715-2001800)中公开了这种热能存储系统的实例，在此通过参考引入其每 个的整个内容。第一工作流体可以以较低的温度从热能存储系统218排出到大气中，如数 字219所示。在一些变型例中，使用热力学底循环的涡轮可以包括多个级。从而，电力设备的图 2的实施例中的蒸汽循环系统包括两级涡轮220a，220b (例如蒸汽涡轮)，其中通过两组环 路回路(two series-circuit loop) 221a和221b使第二工作流体引导通过所述两级涡轮 220a、220b，其前者提供初始加热级，其后者包括涡轮间再加热级。第二工作流体根据其在 回路221a和221b中的位置而包括冷凝水、饱和蒸汽和过热蒸汽。过热蒸汽进入所述涡轮级 并通过所述涡轮级而膨胀，并且所产生的消耗能用于驱动第二发电器222。虽然图2中的多 级蒸汽涡轮被示出为具有居间的再加热级的两级涡轮，在这里描述的电力设备中可以使用 任何其他类型的多级涡轮，例如没有居间的再加热级而工作的多级涡轮，例如三级涡轮，在 该三级涡轮中，第一级涡轮是高压涡轮，第二级涡轮在相对于第一涡轮降低的压力下工作， 以及最后一级涡轮在更低的压力下工作。在通过两个蒸汽涡轮级220a和220b膨胀之后，剩余的蒸汽/气化物被传送到冷 凝器，在该处，通过再循环通过冷凝器流体冷却系统224的冷凝器冷却流体而去除热焓和 潜热。与在图1的实施例中的情况一样，冷凝器可以包括多种不同类型的冷凝器中的任一 种，但是如所指出的，在一些变型例中，冷凝器可以包括其中冷却流体与第二工作流体接触的直接接触型冷凝器。在一些情况中，冷凝器冷却流体冷却系统包括在于2007年3月2日 提交的国际专利申请PCT/AU2007/000268中公开的类型的地下冷却系统，在此通过参考引 入其整个内容。通过泵225将液相的第二工作流体从冷凝器223经由冷凝物储罐227传送到热能 存储系统218。储罐227可以调和热能存储系统中的第二工作流体的水平的波动和/或提 供第二工作流体在整个水_蒸汽环路内的输送的平衡。与在图1的实施例中的情况一样，在初始级和再加热级(如果存在)中通过热交 换将存储在热能存储系统218中的热能传递给第二工作流体，并且产生过热蒸汽以传送到 各个蒸汽涡轮级220a和220b。在电力设备的特定变型例中，可能希望总体地使由顶循环的第一工作流体供应 的剩余热的量与使采用第二循环的热机运行所需的热的量相匹配以例如提高设备的总效 率。例如，在特定情况中，可能希望使用较高容量的Rankine循环热机。可以使用任何类 型的Brayton循环热机以馈送到Rankine循环热机中，但是在一些情况中，有益的是使用 诸如重型气体涡轮的工业Brayton循环热机，因为工业Brayton循环热机轮通常具有比采 用Brayton循环的航改涡更高的容量。然而，从工业Brayton循环热机回收的剩余热能可 能具有低于航改循环的温度。从而，在没有居间热能存储单元来增加(build up)来自工 业Brayton循环热机的剩余热能的情况下，Rankine循环热机可能需要较大量的辅助燃料 以产生适于驱动蒸汽涡轮的过热蒸汽，这又降低了总的设备效率。然而，利用本文描述的设 备，可以在居间热能存储单元中随时间累积和增加来自顶循环的工作流体的剩余热能。随 时间累积的剩余热能的量可足以从工业Brayton循环热机产生过热蒸汽而在采用热力学 底循环的热机中不需要或者较少需要辅助能源以产生过热蒸汽。从而，包括居间热能存储 系统的组合循环电力设备允许高容量工业Brayton循环与高容量Rankine循环耦合，并仍 然维持高的总效率，例如约60%、约65%、约70%或更高。可以使用其他方案或电力设备结构以提高一个或多个性能参数，例如这里描述的 电力设备的效率。在组合循环电力设备的一些变型例中，顶循环可以是一组多个能量产生 循环中的一个，并且来自所述组的废弃热能可以用于对使用热力学底循环的热机供能。在 这些变型例中，可以将居间热能存储单元配置为从该组中的一些或全部能量产生循环中累 积剩余热能。该组中的任何或全部能量产生循环可以包括Brayton循环热机，例如一个或 多个重型气体涡轮、或者一个或多个航改气体涡轮。该组中的能量产生循环可以但不必须 具有相同的类型、容量和/或效率。另外，该组中的能量产生循环可以利用相同或不同的能 源，例如一些或全部可以由太阳能供能，或者通过化石燃料或生物质衍生燃料驱动。底循环 的热泵可以例如包括使用蒸汽作为这里描述的工作流体的Rankine循环热泵。用于这些 设备中的居间热能存储单元可以为这里描述的、其他已知的或后来发展的任何热能存储单兀。现在参考图3，示例出了包括多个第一能量产生热机310的组合循环电力设备300 的实例。如上所述，多个热机310可以是任何合适的热机，可以是相同的或不同的，且可以 通过使用相同或不同的能源供能。在一些实例中，热机310可以使用Brayton循环，例如， 如图1中热机10或图2中的热机210所示例的。每个热机310可以例如通过使经加热的 工作流体通过与上述发生器耦合的涡轮膨胀而发电。可以在例如经加热的工作流体的膨胀
17之后从这些热机回收剩余热能。来自每个热机310的一些或全部所述回收的剩余热能可以 被传送到居间热能存储单元318，如箭头330所示。热能存储单元318可被配置为从一些或 全部热机310累积和存储剩余能量。所存储的热能然后可以用于对采用热力学底循环311 的热机(例如Rankine循环热机(例如涡轮))供能。在该特定变型例中，热机311被示出 为闭合回路循环，其中第二工作流体(例如上述蒸汽、水、或蒸汽/水混合物)通过热交换 器325从热能存储单元318提取热能。经加热的第二工作流体然后可以膨胀以驱动与发生 器耦合的涡轮。在图3所示的组合循环电力设备中，可以在居间热能存储单元上游使用热机的任 何组合，并且可以使用任何下游热机(或多个热机)。在一些情况中，可以通过调节电力 设备的一些或全部能量产生部件来调节设备的总效率、峰值输出或基础输出。作为一个示 例，热机310的组合废弃热可以与底循环311的一个或多个热机的能量要求相匹配以改善 效率。例如，一组热机310可以包括航改气体热机，并且通过从多个航改气体热机向单个 Rankine循环热机供热，组合循环电力设备的顶能量产生系统和底能量产生系统的容量可 以更好的匹配，这可以获得提高的总效率。另外，如上所述，在一个或多个采用热力学底循 环的热机中可以直接使用来自一个或多个采用热力学顶循环310的热机的剩余能量中的 一些能量(即，可以绕过热能存储单元318)。存储在居间热能存储单元中的能量的量可以 变化，例如用来调节电力设备的输出以产生希望量的峰值或底线电力，或用来使波动平滑， 例如使由太阳能供能的设备的低日晒的各时间段引起的波动平滑。图4提供本文所述的组合循环电力设备(例如图1-3中任一所示的电力设备)在 二十四小时的时间段内的操作的图形表示。例如参考图2中的电力设备200，在从约06:00 至18:00的白天时间段内，来自设备的输出电力(由实曲线G1 (214)表示)主要通过第一发 生器214在(Brayton循环)气体涡轮系统210中产生，在最大日晒时间段期间的峰值在约 12:00。在高日晒水平期间存储在能量存储系统218中的能量可以在低(至零)日晒时间 段期间由蒸汽涡轮系统211获得，并且来自设备的输出电力主要由第二发生器222产生，如 虚曲线G2 (222)所示。通过在给定时间添加由每个曲线所示的电力而获得设备的输出。当 然，利用这里描述的不同电力设备结构，可以获得在与图4所示不同的第一(Brayton)循环 和利用来自顶循环的所存储热能的底循环的相关贡献的多种变化。II.用于产生电能的方法如上所述，总体上，本文公开的方法包括使用顶循环产生电能，利用居间热能存 储单元存储从用于顶循环中的处理流回收的剩余热能，以及利用所存储的剩余热能来使用 底循环产生电能。所述方法可以包括在顶循环中使用任何合适的燃料或能源。例如，可以使用太阳 能，例如从塔式太阳热阵列(例如多塔式太阳热阵列)或抛物盘太阳热阵列收集的太阳热 能。可以使用上述其他太阳热阵列。可替代地或额外地，在顶循环中可以使用诸如化石燃 料和/或生物质衍生燃料的燃料。在特定变型例中，在顶循环中可以使用多于一种的能源， 例如太阳能与化石燃料的组合。所述方法可以包括经由与(例如通过使用上述能源中的任 一种或任何组合)被直接加热的工作流体的热交换而间接加热第一工作流体。特定方法可以包括存储从使用顶循环的热机回收的剩余热能的一部分，并转移来 自该热机的处理流的剩余热能的一部分以立即用于使用热力学底循环的热机中。可以例如根据日晒度、白天的时间、峰值或底线能量要求、或其任何组合来控制所存储的剩余热能的 量与被转移用于立即使用的剩余热能的量之间的关系。所述方法可以包括使用电能产生顶循环和电能产生底循环的任何合适的组合来 产生电能。如上所述，所述方法可以包括使用Brayton循环作为顶循环(例如使用重型气 体涡轮作为工业Brayton循环热机，或使用航改气体涡轮作为Brayton循环热机)。一些方 法可以使用Rankine循环作为底循环。从而，所述方法可以包括使第一工作流体压缩、加 热和通过第一涡轮膨胀以在顶循环中驱动第一发电器，在第一工作流体的膨胀之后将包含 在第一工作流体中的剩余热能存储到居间热能存储系统中，以及，例如在Rankine循环的 底循环中，利用从顶循环回收的所存储的热能加热第二工作流体，并利用经加热的第二工 作流体产生电能。在这些方法中可以使用如以上图1-3中任一者所示的电力设备。对于使用Rankine循环作为底循环的方法，所述方法包括利用从顶循环的处理 流或工作流体回收的所存储的热能加热第二工作流体，以及通过与第二发电器耦合的第二 涡轮使经加热的第二工作流体膨胀。在一些实例中，可以使用多于一个的膨胀涡轮。可以 用于这些方法的电力设备在图2中示出。从而，所述方法可以包括通过多个膨胀级，例如两 个或多个顺序的膨胀涡轮，使经加热的第二工作流体膨胀。在一些实例中，可以在连续的膨 胀之间再加热第二工作流体，如图2所示。在特定实例中，所述方法可以包括通过三个膨胀 级使经加热的第二工作流体膨胀，其中第一膨胀级通过高压涡轮实现，第二和第三膨胀级 通过逐渐降低压力的涡轮实现。如果在连续的膨胀之间使用再加热级，所述方法可以包括 使用来自用于顶循环中的工作流体的所存储的热能用于该再加热、太阳能(例如来自这里 描述的塔式安装的接收器)、化石燃料或生物质衍生燃料。所述方法可以包括利用任何合适的居间热能存储系统存储从顶循环的工作流体 回收的剩余热能。例如，可以使用这样的热能存储系统，其使用包括集料、沙、混凝土、或其 组合的热能存储介质。在一些方法中，热能存储介质可以包括熔盐。可以基于各种因素，包 括所使用的工作流体的类型、所希望的热能存储容量、热能存储时间、用于热能存储和或热 能提取的时间常数、和/或存储温度，选择与特定的组合循环电力设备结合使用的热能存 储系统。在与本申请同时提交的名称为“Granular Thermal EnergyStorage Mediums and
Devices for Thermal Energy Storage Systems” 的美国专禾Ij申请序列号 No._(代理
标签号No. 62715-20001800)中描述了合适的热能存储系统和热能存储介质的一些实例， 在此通过参考引入其整个内容。所述方法可以包括在用于一个或多个底循环热机之前将剩余热能存储任何希望 的时间长度。在一些情况中，可以短时间存储所存储的热能。在这些情况中，所存储的热能 可以在这样的时间帧中用于底循环，该时间帧接近产生其的时间帧，例如在从用于顶循环 的工作流体回收剩余热能的时间的约15分钟内，约10分钟内，在约5分钟内，或者约1或 2分钟内。这样的短存储时间可以尤其用于使能量供应中的波动平滑，从而例如到涡轮的流 基本不会中断。在其他情况中，可以将所存储的热能存储更长的时间，并在相对于从顶循环 的工作流体回收剩余热能的延迟时间被用于使用底循环的热机中。例如，可以将所存储的 热能存储长于约15分钟，例如约一小时、约2小时、约4小时、或约6小时，或甚至更长，例 如约8小时或约10小时。在一些情况中，可以根据例如图4所示并结合图4讨论的24小
19时循环来调节在电力设备中的两个循环中的每一个的输出。所述方法可以包括根据能量需 求和能量供应来调节存储时间，例如调节所回收的剩余热能的存储时间，以便顶循环和底 循环的组合输出满足波动要求、底线要求、和/或峰值要求，例如即使在太阳能供能的设备 的低日晒的时间段期间。所述方法可以包括调节使用顶底循环和/或底循环的热机的容量以增加组合循 环系统的总效率或其他性能量度。例如，顶循环热机可以包括工业Brayton循环热机，例如 重型气体涡轮。在这些实例中，所述方法可以包括在底循环中使用蒸汽作为第二工作流体， 并将该蒸汽加热到低于最过热蒸汽涡轮所要求的温度(400-500C)。在该情况中，在以某种 程度牺牲底循环效率的条件下，可以使用类似于核或地热设计(200C-320C)的低温涡轮。 然后，累积的所存储热能可以用于驱动使用底循环的蒸汽涡轮。这些方法尤其可以用于这 样的情况中，其中希望增加顶循环的热机的容量，或使用低温存储形式。在其他变型例中， 顶循环热机可以包括航改气体涡轮，其可以允许将蒸汽加热到等于或高于使用过热蒸汽所 需的温度，例如从约700°C至约800°C的温度范围。所述用于产生电能的方法可以使用其他热能存储方案。例如，特定方法在膨胀用 于顶循环的热流体以发电之前存储来自该流体的热的至少一部分。从而，用于产生能量的 方法可以包括顶循环中的和/或在用于一个或多个底循环之前的热能存储的任何组合。所 述方法可以包括使用任何合适的热能存储系统存储经加热的工作流体，例如通过将管道歧 管或器皿(vessel)设置为与热能存储介质热接触，如这里所述，所述热能存储介质包括集 料、沙、混凝土、熔盐或其组合。在特定变型例中，可以将热的受压工作流体存储在例如可被 置于地下的受压器皿中。如果使用太阳能对顶循环热机供能或作为用于底循环热机的补充能源，特定方法 可以包括通过在至少一个接收器中热交换来加热合适的工作流体，其中从反射器的一个场 或多个场将太阳辐射反射到所述接收器上。使用这样的太阳能加热的接收器的电力设备的 实例在图1和2中示出。尽管关于第一工作流体描述了这些使用太阳能加热工作流体的该 方法，应该理解，底循环中的第二工作流体可以被类似地加热，例如，除了由从顶循环的处 理流回收的剩余热能提供的热能之外作为供热的辅助能源，或者用于加热连续膨胀之间的 再加热级。从而，第一工作流体可以通过在至少一个接收器中的热交换而被加热，其中从反 射器的一个场或多个场将太阳辐射反射到所述接收器上。然而，在特定实施例中，所述接收 器或每个接收器(在多于一个的情况下)可以可选地包括塔式安装的腔型或容积接收器， 其中从定日镜型太阳辐射会聚反射器的场将太阳辐射反射到所述接收器上。所述方法可以 包括例如通过居间热交换流体来间接地实现接收器与第一工作流体之间的热交换。可选 地，所述方法可以通过接收器直接加热所述第一工作流体，例如通过使该流体沿通道通过 接收器，以吸收通过吸收接收器的腔中的会聚太阳能而产生的热能。用于这些方法中的接 收器可以是任何合适的接收器，在一些情况中，所使用的接收器可以包括难熔芯，该难熔芯 可以吸收入射的太阳辐射，将辐射转换成热能，并存储该热能用于后面的使用，如在与本申 i青同的名禾尔力“Integrated Solar EnergyReceiver-Storageψ
请序列号_(代理标签号No. 62715-2000400)中所述，在此已通过参考弓|入其整个内容。该公开是示例性的且非限制性的。本领域技术人员根据该公开容易想到其他修改例，并且这些修改例旨在落入所附权利要求的范围内。在说明书中引用的每个公开和专利 申请都在此通过参考而被整体地引入，如同每个单独的公开或专利申请都在此具体且单独 地给出。
权利要求
一种产生电能的方法，所述方法包括使用热力学顶循环以产生电能和剩余热能；存储所述剩余热能；以及在热力学底循环中使用所存储的剩余热能以产生电能。
2.根据权利要求1的产生电能的方法，所述方法包括压缩、加热和膨胀第一工作流体以在所述热力学顶循环中产生电能；存储膨胀后的所述第一工作流体中所包含的剩余热能；以及利用所述存储的热能加热第二工作流体，并在所述热力学底循环中利用经加热的第二 工作流体产生电能。
3.根据权利要求1的方法，包括在所述热力学顶循环中使用太阳能。
4.根据权利要求3的方法，包括使用从高会聚中心接收器型太阳能阵列(例如多塔式 太阳能阵列)或抛物盘太阳能阵列收集的太阳能。
5.根据权利要求1的方法，包括存储所述剩余热能的一部分以在延迟的时间用于所述 热力学底循环中，并转移所述剩余热能的一部分以立即用于所述热力学底循环中。
6.根据权利要求1的方法，包括调节所述剩余热能的存储时间，以便使用所述热力学 顶循环和底循环的热机的组合电输出满足波动要求。
7.根据权利要求1的方法，包括调节所述剩余热能的存储时间，以便使用所述热力学 顶循环和底循环的热机的组合电输出满足底线要求。
8.根据权利要求1的方法，包括调节所述剩余热能的存储时间，以便使用所述热力学 顶循环和底循环的热机的组合输出满足峰值要求。
9.根据权利要求2的方法，其中使用所述热力学底循环产生电能包括利用从所述第一 工作流体回收的所述存储的热能加热所述第二工作流体，并膨胀所述第二工作流体以产生 电能。
10.根据权利要求9的方法，包括通过多级涡轮在多级中膨胀所述第二工作流体。
11.根据权利要求10的方法，包括在膨胀级之间再加热所述第二工作流体。
12.根据权利要求2的方法，其中所述第二工作流体包括水、蒸汽、或蒸汽/水混合物。
13.根据权利要求2的方法，还包括在膨胀所述第一工作流体以产生电能之前存储所 述经加热的被压缩的第一工作流体的至少一部分。
14.根据权利要求2的方法，还包括在使用经加热的第二工作流体产生电能之前存储 所述经加热的第二工作流体的至少一部分。
15.根据权利要求1的方法，包括利用化石燃料或生物质衍生燃料提供用于所述热力 学顶循环中的能量。
16.根据权利要求1的方法，其被配置为获得约65%或更高的来自所述热力学顶循环 和底循环的组合效率。
17.根据权利要求1的方法，其中所述热力学顶循环是能量产生循环的组中的一个循 环，并且所述方法包括从所述组中的一些或全部循环的处理流体累积和存储剩余热能，并 使用所述累积的所存储的剩余热能以利用所述热力学底循环产生电能。
18.根据权利要求17的方法，其中所述能量产生循环的所述组中的一些或全部循环包 括Bray ton循环。
19.根据权利要求1的方法，包括在所述热力学顶循环中使用工业Brayton或 Ericsson 润轮。
20.根据权利要求1的方法，包括在所述热力学顶循环中使用航改Brayton或 Ericcson 润轮。
21.根据权利要求1的方法，包括使用Rankine或Kalina循环作为所述热力学底循环。
22.一种电力设备，包括第一顶循环热机，其使用热力学顶循环，并被配置为产生电能； 居间热能存储单元，其被配置为存储从所述第一顶循环热机的第一工作流体回收的剩 余热能；以及第一底循环热机，其使用热力学底循环，并被配置为利用来自所述居间热能存储单元 的所存储的热能而产生电能。
23.根据权利要求22的电力设备，其中所述第一顶循环热机包括 第一压缩机，其被配置为压缩第一工作流体；第一加热级，用于加热所述压缩的第一工作流体； 第一涡轮，其被配置为膨胀所述第一工作流体以驱动第一发生器，以及 其中所述居间热能存储单元被配置为在所述第一工作流体的膨胀之后存储从所述第 一工作流体回收的剩余热能。
24.根据权利要求23的电力设备，其中所述第一底循环热机包括 第二压缩机，其被配置为压缩所述第二工作流体；第二加热级，用于加热所述压缩的第二工作流体；以及 第二涡轮，其被配置为膨胀所述第二工作流体以驱动第二发生器，以及 其中所述第二加热级使用来自所述第一顶循环热机的所存储的剩余热能以加热所述 压缩的第二工作流体。
25.根据权利要求24的电力设备，其中所述第二涡轮包括多个膨胀级。
26.根据权利要求25的电力设备，包括再加热级，所述再加热级被配置为在膨胀级之 间再加热所述第二工作流体。
27.根据权利要求22的电力设备，其中所述第一顶循环热机为顶循环热机的组中的 一个热机，且所述居间热能存储单元被配置为从所述组中的一些或全部热机累积和存储热 能。
28.根据权利要求27的电力设备，其中所述组中的一些或全部热机使用Brayton循环。
29.根据权利要求22的电力设备，其中所述第一顶循环热机包括重型气体涡轮。
30.根据权利要求22的电力设备，其中所述第一顶循环热机包括航改气体涡轮。
31.根据权利要求22的电力设备，其中所述第一底循环热机包括Rankine或Kalina循 环涡轮。
32.根据权利要求23的电力设备，其中所述居间热能存储单元使用包括集料、沙、混凝 土、熔盐、或其组合的热能存储介质。
33.根据权利要求22的电力设备，其具有约65%或更高的效率。
34.根据权利要求22的电力设备，其被配置为负荷跟踪电力设备。
35.根据权利要求22的电力设备，其被配置为提供底线量的电能。
36.根据权利要求22的电力设备，其被配置为提供峰值量的电能。
37.根据权利要求22的电力设备，其中所述第一顶循环热机被配置为用太阳能供能。
38.根据权利要求37的电力设备，其中所述第一顶循环热机被配置为利用通过塔式太 阳能阵列或抛物盘太阳能阵列产生的太阳能而被加热。
39.根据权利要求22的电力设备，其中所述第一顶循环热机被配置为利用化石燃料或 生物质衍生燃料而被加热。
40.根据权利要求22的电力设备，还包括顶循环热能存储单元，所述顶循环热能存储 单元被配置为在经加热的第一工作流体的膨胀之前从所述经加热的第一工作流体存储热。
41.根据权利要求24的电力设备，还包括底循环热能存储单元，所述底循环热能存储 单元被配置为在经加热的第二工作流体的膨胀之前存储所述经加热的第二工作流体。
42.根据权利要求23的电力设备，包括接收器，所述接收器被配置为接收和吸收引导 到其上的被反射和会聚的太阳辐射，并加热顶工作流体和底工作流体中的至少一者。
43.根据权利要求42的电力设备，其中所述接收器包括难熔芯，所述难熔芯被配置为 吸收入射的太阳辐射，并存储所产生的热能。
44.根据权利要求43的电力设备，其中所述芯在所述芯中和/或环绕所述芯包括一个 或多个流体通道，以传输工作流体，从而促进从所述芯提取所存储的热能。
45.根据权利要求42的电力设备，其中所述接收器是塔式安装的。
46.根据权利要求45的电力设备，其中所述接收器和所述第一压缩机是塔式安装的。
47.根据权利要求42的电力设备，包括高架反射器，所述高架反射器被配置为将所述 被反射和会聚的太阳辐射再引导到地面安装的接收器。
48.一种电力设备，包括用于压缩第一工作流体的装置；用于在压缩所述第一工作流 体之后加热所述第一工作流体的装置；第一涡轮，其被耦合至第一发电装置，并且所述第一 工作流体通过所述第一涡轮而被操作膨胀以驱动所述第一发电装置；热能存储装置，其被 设置为在所述第一工作流体通过所述第一涡轮膨胀之后存储包含在所述第一工作流体中 的剩余热能；第二涡轮，其被耦合至第二发电装置，并被设置为接收第二工作流体，所述第 二工作流体通过所述第二涡轮而被操作膨胀以驱动所述第二发电装置；以及其中所述第二 工作流体在操作中通过使用从所述热能存储装置提取的所存储的热能而被加热。
全文摘要
本发明公开了组合循环电力设备和相关方法。在所述设备中，居间热能存储单元用于存储从使用组合循环电力设备的热力学顶循环的热机回收的废弃或剩余热能，从而所存储的剩余热能可以用作该电力设备的热力学底循环中的能源。在这里描述的组合循环电力设备中，使用顶循环的热机可以包括Brayton循环热机，并且使用热力学底循环的热机可以为Rankine循环热机。
文档编号F01K19/00GK101984761SQ200880102142
公开日2011年3月9日 申请日期2008年6月6日 优先权日2007年6月6日
发明者D·R·米尔斯 申请人:奥斯拉公司