专利名称：用于发电的系统和方法
技术领域：
本发明大体而言涉及发电系统(power generation systems),且更具体而言涉及具有整合热能储蓄装置(integrated thermal storage device)的太阳能联合循环系统(solar powered combined cycle system)。
背景技术：
在发电中，联合循环为与相同热源相互合作地工作将热转换为机械能来驱动发电机的热机(heat engines)组件。一个热机的排气用作另ー热机的热源，因此从热提取更多的有用能量，提高了系统的总效率。热机仅使用燃料燃烧所生成的能量的一部分。来自燃烧的其余热通常被浪费掉了。联合两个或两个以上的热カ循环得到改进的总效率和降低的燃料成本。联合循环发电厂发电且在排气中的热用于驱动涡轮来产生额外的电且提高了发电厂的效率。在某些应用中，集中的太阳能塔式厂就成本/性能比例而言是有吸引力的，这归因于高的可实现温度，这种高的可实现温度能允许使用太阳能供能的燃气涡轮。这样的太阳能燃气涡轮系统建置为联合循环，其中，来自燃气涡轮的排气用于给额外底部循环提供能量。但是，太阳能联合循环发电厂具有较低的厂利用系数(plant capacity factor),这归因于可用太阳辐射的间歇性。在某些应用中，混合系统用于在太阳光不可用时操作利用化石燃料的燃气涡轮。这样的系统具有与ニ氧化碳排放相关联的缺陷。需要用于发电的改进的系统。
发明内容
`
根据本发明的一示例性实施例，一种系统包括燃气涡轮系统、热能储蓄装置和热回收系统。燃气涡轮系统由太阳能提供能量来生成第一电量。热能储蓄装置联接到燃气涡轮系统。热能储蓄装置被构造成从燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄膨胀排气的热。热回收系统联接到燃气涡轮系统和热能储蓄装置，热回收系统由燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少ー个选择性地提供能量以生成第二电量。根据本发明的另ー示例性实施例，ー种方法包括使用太阳能来给燃气涡轮系统提供能量来生成第一电量。该方法还包括选择性地引导来自燃气涡轮系统的膨胀排气到热能储蓄装置以便在热能储蓄装置中储蓄膨胀排气的热。该方法还包括经由燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少ー个来给热回收系统选择性地提供能量以生成第二电量。根据本发明的另ー示例性实施例，公开了ー种包括燃气涡轮系统和热能储蓄装置的系统。根据本发明的另ー示例性实施例，公开了ー种包括热能储蓄装置和热回收系统的系统。
当參看附图来阅读本发明下文的详细描述时，本发明的这些和其它特点、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中，相似的附图标记表示相似的部件，其中
图1为根据本发明的示例性实施例的用于发电的联合循环系统的框图；以及 图2为根据本发明的另ー示例性实施例的用于发电的联合循环系统的框图。
具体实施例方式如在下文中详细地讨论的那样，本发明的实施例公开了ー种系统，其包括与热能储蓄装置和热回收系统联合的太阳能燃气涡轮系统。热能储蓄装置被构造成从燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄所述膨胀排气的热。热回收系统由燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少ー个选择性地提供能量以发电。来自太阳能燃气涡轮的低温排气热(exhaust heat)储蓄在热能储蓄装置中或者直接用于给废热回收系统(waste heatrecovery system)提供能量。当燃气润轮系统不操作时，来自热能储蓄装置的热用于给废热回收系统提供能量。该系统允许根据太阳热可用性和热能储蓄能力来灵活操作。參看图1，示出了根据本发明的示例性实施例用于发电的联合循环系统10。该系统10包括燃气涡轮系统12、热能储蓄装置14和热回收系统16。燃气涡轮系统12包括压缩机18、涡轮20和置于压缩机18与涡轮20之间的燃烧器22。空气11经由压缩机18压缩且进给到燃烧器22。集中的太阳辐射13用于加热在燃烧器22中的加压空气15。在此实施例中，太阳辐射13经由多个太阳能镜17和太阳能塔式接收器19而导向至燃烧器22。在某些实施例中，加压空气15被加热到约700摄氏度至约1000摄氏度范围的温度。来自燃烧器22的热气流21经由涡轮20膨胀。气流21的温度和压カ在涡轮20中降低。在某些实施例中，在涡轮20出口处的气流温度在约400摄氏度至500摄氏度的范围。涡轮20联接到发电机26且被构造成生成第一电量。在图示实施例中，热能储蓄装置14经由第一控制装置28联接到涡轮20。热能储蓄装置14被构造成从涡轮20选择性地接收膨胀排气23且储蓄膨胀排气23的热。热能储蓄被定义为暂时储蓄高温或低温热能。能量储蓄缩短了在能量供应与能量需求之间的时间或速度失配且对于能量节约而言是重要的。第一控制装置28被构造成控制来自涡轮20的膨胀排气23到热能储蓄装置14的流动。在图示实施例中，第一控制装置28是第一控制三通阀。在一实施例中，热能储蓄装置14包括潜热储蓄装置。在潜热储蓄装置中，作为储蓄介质的相变(通常在固态与液态之间)来储蓄热能。储蓄在潜热储蓄装置中的能量取决于储蓄材料的质量和熔化潜热。在另ー实施例中，热能储蓄装置14包括显热储蓄装置。在显热储蓄装置中，热能作为所用储蓄介质的温度变化而储蓄。储蓄在显热储蓄装置中的能量取决于储蓄材料的温度变化。术语“显热”和“潜热”在它们对材料或热力学系统的影响方面表征相同形式能量，即，热。该系统10还包括从第一控制装置28延伸到第二控制装置32的旁通路径30，第二控制装置32置于热能储蓄装置14与热回收系统16之间。旁通路径30被构造为允许膨胀排气23从涡轮20流到热回收系统16，绕开热能储蓄装置14。第二控制装置32被构造为控制来自热能储蓄装置14的热25和来自涡轮20的膨胀排气23的到热回收系统16的流动中的至少ー个。在图示实施例中，第二控制装置32包括第二控制三通阀。在一实施例中，当燃气涡轮12操作时，膨胀排气23从涡轮20经由第一控制装置28进给到热能储蓄装置14以充注热能储蓄装置14。在另ー实施例中，当燃气涡轮12操作时，来自涡轮20的膨胀排气23经由第一控制装置28、旁通路径30和第二控制装置32进给到热回收系统16。在另ー实施例中，当燃气涡轮12不操作时，所储蓄的热能25经由第二控制装置32进给到热回收系统16。在一实施例中，当燃气涡轮12不操作吋，所储蓄的热能25经由第二控制装置32和中间回路(例如，油回路)进给到热回收系统16。在另ー实施例中，热能储蓄装置14与热回收系统16整合，以便在燃气涡轮12不操作时能将热能25转移到热回收系统16。在图示实施例中，热回收系统16为兰金循环系统(organic rankine cyclesystem)，例如有机兰金循环系统。有机工作流体可通过兰金循环系统16循环。有机工作流体可包括环己烷、环戊烷、噻吩、酮类、芳香类或其组合。兰金循环系统16包括联接到第ニ控制装置32的蒸发器34。在一实施例中，蒸发器34从储蓄于热能储蓄装置14中的热能25接收热且生成有机工作流体蒸气27。在另ー实施例中，蒸发器34从膨胀排气23接收热并生成有机工作流体蒸气27，膨胀排气23从涡轮20经由第一控制装置28、旁通路径30和第二控制装置32进给。有机工作流体蒸气27通过膨胀器36 (其在一示例中包括径流式膨胀器(radial type expander))以驱动发电机38,发电机38被构造成产生第二电量。在某些其它示例性实施例中，膨胀器36可为轴流式膨胀器(axial type expander)、脉冲式膨胀器或高温螺旋式膨胀器。在通过膨胀器36之后，处于相对较低压カ和较低温度的膨胀的有机工作流体蒸气29通过冷凝器40。有机工作流体蒸气29冷凝为液体31，液体31然后经由泵42泵送到蒸发器34。然后可重复该循环。
根据本发明的图示示例性实施例，在白天，燃气涡轮系统12由集中阳光13来提供能量。使用集中阳光13代替燃气涡轮系统12的燃烧器22中的燃料。来自涡轮20的排气
23的热储蓄于热能储蓄装置14中或者直接用于给热回收系统16提供能量或其组合。来自涡轮20的排气23的热可灵活地用于充注热储蓄装置14和并行地给热回收系统16提供能量，取决于太阳能热的可用性或在峰值能量要求期间的额外电カ需求。在夜间，当没有足够的太阳能热用于给燃气涡轮系统12提供能量时，储蓄在热能储蓄装置14中的热25用于给热回收系统16提供能量。因此，该系统10能根据太阳能热可用性或电カ需求而灵活地操作。由于热能储蓄装置14的热能储蓄能力而提高了该系统10的利用系数。在本文中应当指出的是热能储蓄装置14用于储蓄自涡轮20进给的排气23的热而不是直接来自集中阳光13的热。在这样的系统中，热储蓄比储蓄直接来自集中阳光13的热更容易，因为来自涡轮20的排气23温度相对更低，例如，在约400摄氏度至约500摄氏度范围的温度。參看图2，示出了根据本发明的另ー示例性实施例用于发电的联合循环系统10。该系统10包括燃气涡轮系统12、热能储蓄装置14和热回收系统44。在一实施例中，膨胀排气23从涡轮20经由第一控制装置28进给到热能储蓄装置14以充注热能储蓄装置14。在另ー实施例中，来自涡轮20的膨胀排气23经由第一控制装置28、旁通路径30和第二控制装置32进给到热回收系统44。在另ー实施例中，储蓄的热能25经由第二控制装置32进给到热回收系统44。在图示实施例中，热回收系统44包括蒸汽循环系统。在本文中应当指出的是图示的蒸汽循环系统44为示例性实施例且可取决于具体应用而不同。蒸汽循环系统44包括联接到第二控制装置32的蒸发器46。在一实施例中，蒸发器46从储蓄于热能储蓄装置14中的热能25接收热且生成蒸气33。在另ー实施例中，蒸发器46从膨胀排气23接收热并生成蒸汽33，膨胀排气23从涡轮20经由第一控制装置28、旁通路径30和第二控制装置32进来自蒸发器46的饱和蒸汽33经由高压涡轮48膨胀。高压涡轮48联接到发电机50，发电机50被构造成发电。在湿气分离再热器52中干燥并过热来自高压涡轮48的潮湿蒸汽35。自湿气分离再热器52进给的饱和或过热的蒸汽37在低压涡轮54中膨胀。低压涡轮54联接到发电机56，发电机56被构造成发电。自低压涡轮54的排出的蒸汽39经由冷凝器58冷凝，在冷凝器58中，在恒定真空条件下将热转移到冷却介质。来自冷凝器58的给水41经由泵60进给到预热器62以加热给水41。来自预热器62的给水经由泵64 (任选的)进给到蒸发器46以在恒压条件下使给水汽化。重复该循环。參看图1和图2，热回收系统可基于来自涡轮20的排气温度或热能储蓄装置14的类型包括兰金循环系统16或蒸汽循环系统44或其组合。在峰值电カ要求时间，燃气涡轮系统12和热回收系统16、44可都被提供能量来产生最大电力。热能储蓄装置14可在足够太阳辐射可用且电カ需求最小时灵活地充注。在该系统10中可达成更高循环温度，因为燃气涡轮系统12使用集中太阳辐射得到能量。该系统10允许高的总循环效率，这归因于在燃气涡轮系统12的燃烧器22中的高温，由于涡轮20中膨胀所造成的气体温度降低，在热储蓄装置14中的低温热，和高效废热回收系统16的使用。如本文所讨论的那样，一种系统包括燃气涡轮系统、热能储蓄装置和热回收系统。燃气涡轮系统由太阳能提供能量来生成第一电量。热能储蓄装置联接到燃气涡轮系统且被构造成从燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄膨胀排气的热。热回收系统联接到燃气涡轮系统和热能储蓄装置。热回收系统由燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少ー个选择性地提供能量以生成第二电量。根据另ー示例性实施例，ー种方法包括使用太阳能来给燃气涡轮系统提供能量来生成第一电量。该方法还包括选择性地引导来自燃气涡轮系统的膨胀排气到热能储蓄装置以便在热能储蓄装置中储蓄膨胀排气的热。该方法还包括选择性地经由燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少ー个来给热回收系统提供能量以生成第二电量。根据另ー示例性实施例，一种系统包括燃气涡轮系统和热能储蓄装置。燃气涡轮系统由太阳能提供能量来生成第一电量。热能储蓄装置联接到燃气涡轮系统。热能储蓄装置被构造成从燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄膨胀排气的热。燃气涡轮系统和热能储蓄装置被构造成联接到热回收系统。燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少ー个被构造成选择性地向热回收系统提供能量来生成第二电量。根据另ー示例性实施例，一种系统包括热能储蓄装置和热回收系统。热回收系统联接到热能储蓄装置。热能储蓄装置和热回收系统被构造成联接到由太阳能提供能量以生成第一电量的燃气涡轮系统。热能储蓄装置被构造成从燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄膨胀排气的热。热回收系统由燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少ー个选择性地提供能量以生成第二电量。虽然仅在本文中示出和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员将会想到许多修改和变化。因此应了解所附权利要求预期涵盖属于本发明的真实精神内的所有修改和变化。
权利要求
1.一种系统，包括燃气涡轮系统，其由太阳能提供能量来生成第一电量；联接到所述燃气涡轮系统的热能储蓄装置，其中所述热能储蓄装置被构造成从所述燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄所述膨胀排气的热；以及热回收系统，其联接到所述燃气涡轮系统和所述热能储蓄装置，其中所述热回收系统由所述燃气涡轮系统和所述热能储蓄装置中的至少一个选择性地提供能量以生成第二电量。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述热能储蓄装置包括潜热储蓄装置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述热能储蓄装置包括显热储蓄装置。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述热回收系统包括有机兰金循环系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述热回收系统包括蒸汽循环系统。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于还包括第一控制装置，其置于所述燃气涡轮系统与所述热能储蓄装置之间且被构造成控制从所述燃气涡轮系统到所述热能储蓄装置的膨胀排气的流动。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于所述第一控制装置包括第一控制三通阀。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于还包括第二控制装置，其安置于热能储蓄装置与所述热回收系统之间且被构造成控制自所述热能储蓄装置的热和自所述燃气涡轮系统的膨胀排气到所述热回收系统的流动中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于所述第二控制装置包括第二控制三通阀。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于还包括旁通路径，其从所述第一控制装置延伸到所述第二控制装置且使得自所述燃气涡轮系统的所述膨胀排气到所述热回收系统的流动绕过所述热储蓄装置。
11.一种方法，包括使用太阳能来给燃气涡轮系统提供能量来生成第一电量；选择性地引导来自所述燃气涡轮系统的膨胀排气到热能储蓄装置以便在所述热能储蓄装置中储蓄所述膨胀排气的热；以及选择性地经由所述燃气涡轮系统和所述热能储蓄装置中的至少一个来给热回收系统提供能量以生成第二电量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于包括将来自所述燃气涡轮系统的膨胀排气弓I导至具有潜热储蓄装置的热能储蓄装置。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于包括将来自所述燃气涡轮系统的膨胀排气引导至具有显热储蓄装置的热能储蓄装置。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于包括选择性地给具有有机兰金循环系统的所述热回收系统提供能量。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于包括选择性地给包括蒸汽循环系统的所述热回收系统提供能量。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于包括经由置于所述燃气涡轮系统与所述热能储蓄装置之间的第一控制装置来控制自所述燃气涡轮系统的膨胀排气到所述热能储蓄装置的流动。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于包括经由置于所述热能储蓄装置与所述热回收系统之间的第二控制装置来控制自所述热能储蓄装置的热，自所述燃气涡轮系统的膨胀排气到所述热回收系统的流动中的至少一个。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于包括经由从所述第一控制装置到所述第二控制装置的旁通路径来引导自所述燃气涡轮系统的膨胀排气到所述热回收系统的流动且绕开所述热能储蓄装置。
19.一种系统,包括燃气涡轮系统，其由太阳能提供能量来生成第一电量；以及联接到所述燃气涡轮系统的热能储蓄装置，其中所述热能储蓄装置被构造成从所述燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄所述膨胀排气的热；其中，所述燃气涡轮系统和所述热能储蓄装置被构造成联接到热回收系统，所述燃气涡轮系统和所述热能储蓄装置中的至少一个被构造成选择性地向所述热回收系统提供能量来生成第二电量。
20.—种系统,包括热能储蓄装置；热回收系统，其联接到所述热能储蓄装置，其中，所述热能储蓄装置和所述热回收系统被构造成联接到由太阳能提供能量以生成第一电量的燃气涡轮系统；所述热能储蓄装置被构造成从所述燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄所述膨胀排气的热；所述热回收系统由所述燃气涡轮系统和所述热能储蓄装置中的至少一个选择性地提供能量以生成第二电量。
全文摘要
本申请涉及用于发电的系统和方法。其中，一种系统包括燃气涡轮系统、热能储蓄装置和热回收系统。燃气涡轮系统由太阳能提供能量来生成第一电量。热能储蓄装置联接到燃气涡轮系统。热能储蓄装置被构造成从燃气涡轮系统选择性地接收膨胀排气且储蓄膨胀排气的热。热回收系统联接到燃气涡轮系统和热能储蓄装置。热回收系统由燃气涡轮系统和热能储蓄装置中的至少一个选择性地提供能量以生成第二电量。
文档编号F02C6/14GK103032170SQ201210367460
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月29日
发明者T.J.弗雷, G.阿斯特, C.S.K.贝洛尼, M.芬肯拉思, S.M-N.霍夫曼 申请人:通用电气公司