具有改进的操作的聚光太阳能发电站的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有改进的操作的太阳能发电站，更具体地说，涉及一种聚光太阳能发电站。
【背景技术】
[0002]聚光太阳能发电(CSP)技术在于使用太阳辐射将太阳能场中的流体加热，流体直接或者间接地用作热力循环中的热库。聚光使得能够达到不同程度的高温，并且同样地，从不同程度的基本热力学转换输出中受益。
[0003]这种类型的转换系统的优化操作主要与两个准则有关:
[0004]-在转换系统的进口处(也对应于“太阳能场”的出口)保持流体的温度恒定。针对最优工作温度，这种类型的系统的输出实际上是最大的，并且当该温度降低时这种类型的系统的输出也降低；
[0005]-减少温度在平均值附近的波动，这使得能够较少地给转换系统加压力，以减少所有部件上的热应力，从而减少传热流体过热或者选择性处理的风险，并且因此增加使用寿命O
[0006]在太阳能发电站中，由于若干因素的影响，尤其是在太阳能场上飘过云、与反射有关的跟踪误差、由于命令控制的调节而造成的波动等，遵守不了这些准则。
[0007]在太阳能发电站CSP中，可以通过太阳能场、如果蓄热箱存在的话通过蓄热箱、甚至还可以同时通过这两者来给转换系统提供热量。
[0008]然后，试图尽可能的保持进口温度恒定并且试图在太阳能发电站CSP的所有操作模式中限制进口温度在平均值附近的波动，即:
[0009]-当单独通过太阳能场给转换系统提供热量时；
[0010]-当单独通过蓄热箱给转换系统提供热量时；
[0011]-当通过太阳能场和蓄热箱给转换系统提供热量时。
[0012]-当太阳能场仅连接到蓄热箱时。在这种操作模式中，转换系统不进行操作，并且维持尽可能恒定的进口温度和限制波动使得能够对蓄热箱进行优化操作。
[0013]通常可以通过改变固体或者液体蓄热材料的温度水平以感应能量的形式、通过改变蓄热材料的相以潜在能量的形式或者最后通过使用吸热的和放热的化学反应以化学能量的形式，来实现热量的蓄存。
[0014]在通过感应热量蓄热的情况下，通过使蓄热材料的温度升高来蓄热，其中，蓄热材料可以是液体、固体或者两者的组合。
[0015]涉及借助于热力循环(例如，通过使用蒸汽涡轮机)来使用热能的工业方法通常需要两个温度水平作为循环端口处的条件。试图将这两个温度水平尽可能保持恒定以便获得循环的优化操作。实际上，作为示例，在将进入涡轮机的进口温度在预定值处保持恒定的情况下，提供热能到电能的转换的蒸汽涡轮机具有更高的输出。
[0016]因此，与这样的系统相关联的蓄热必须遵守这些特性并且使得能够例如在恒定的温度水平下不蓄热。
[0017]这种类型的操作的示例是聚光太阳能热发电的领域，其中，蓄热系统包括包含热流体和冷流体的箱。然后，在箱内部有热分层，位于上部的热流体和位于下部的冷流体被称作“温变层”的过渡区域隔开。
[0018]单个箱的使用使得能够减少诸如栗、阀等的组件的数目，并且能够简化命令控制。
[0019]在温变型蓄热中，蓄热材料可以是液体传热流体或者有利地是传热流体和廉价的固体材料的混合物。附加使用这样的固体材料使得能够通过降低再次混合的影响来改进热流体和冷流体的隔离。在后者的情况下，这被称作“混合介质温变”。
[0020]这种“混合介质温变”箱具有下述优势:减少了所需的液体量；鉴于岩石类型的固体材料的成本小于液体传热流体的成本，因此减少了总成本。
[0021]在温变箱中，为了顾及密度的差异并且避免自然对流活动，在蓄热阶段期间在箱的顶部以及在非蓄热阶段期间在箱的底部导入传热流体。温变箱的特征在于:箱顶部的热区域、底部的冷区域以及两个区域之间的被称作温变层的过渡区域。这种类型的蓄热的原理是要生成“热活塞”，即，尽可能薄并且横向统一的热前缘的推进。这使得能够在加载阶段期间和卸载阶段期间维持恒定温度。
[0022]在加载阶段期间，使冷流体从箱的底部排出，然后例如通过流经太阳能集热器的热交换器被加热，然后再被送回到箱的顶部。在卸载阶段期间，使热流体从箱的顶部排出，然后被送到例如集成了涡轮机的热力循环的蒸发器，在蒸发器中被冷却，然后再被送回到箱的底部。在加载阶段期间和卸载阶段期间，热活塞分别向下移动和向上移动。
[0023]基于液体传热流体和固体基质的混合物的“混合介质温变”型蓄热需要流体以大约几mm/s的非常低的速度流动，以便提供流体与静负载之间的热传递并且限制速度和温度的横向不均一。
[0024]温变层区域是热区域的温度与冷区域的温度之间的温度梯度的位置。然而，从能量角度来看，对应于热梯度的该区域对于蓄热过程来说并不高效。
[0025]实际上，
[0026]-由于蓄热材料的温度上升减小，因此其中储存的能量的密度较低，
[0027]-用于恢复能量的温度将比蓄热的温度低。因此，未储存的热量将不太可能被稳定化。
[0028]因此，期望减小该区域的体积，这种减小将使得能够:
[0029]-当考虑到储存/未储存的能量的量给定时，减小蓄热箱的体积。在带有垂直轴的圆柱形蓄热箱的情况下，这使得能够减小它的高度或者减小它的直径；
[0030]-当考虑到蓄热量给定时，增加储存/未储存的能量的量；
[0031]-在较长的一段时间内提供对电力转换系统的最佳操作。
[0032]文献ZL 200720051634.5提出:在岩床的顶部和底部集成两个管道/格栅交换器，格栅中包含有相变材料，相变材料的熔化温度分别适于温变蓄热的高温和低温。
[0033]该系统提供两个互补功能，使得能够在箱的加载或者卸载结束时限制温变层区域的体积。由此，使用率，即箱中实际的蓄热量与箱中可以蓄热的最大理论量(计算为在高温下整个蓄热箱充满时的热量)之间的比率会大幅增加。那么，如果以相同量的储存能量来工作，则可以减小箱的尺寸，或者如果以相同的箱尺寸来工作，则实际存储的能量的量增加。还使得能够通过增加出口温度恒定的持续时间来使箱的出口温度稳定:
[0034]-对于卸载时的出口温度，在该卸载供给电力转换系统时使得能够如上所述使用最佳恢复的能量；
[0035]-对于加载时的出口温度，使得能够通过使温度梯度中包含的能量储存在相变材料中来不损失能量，并且能够使发电站和/或太阳能场的热力循环稳定。
[0036]因此，当只有蓄热箱供给电力转换系统时，该文献提议的解决方案才能够对上文中提出的问题做出响应。然而，当通过太阳能场或者通过太阳能场/蓄热单元来供给系统时，这将不再成立。
[0037]此外，该系统有下述缺点:
[0038]-将相变材料集成在箱中使得仅能够改进蓄热箱的操作，而不能总体改进聚光太阳能发电站的操作。因此，当太阳能场直接连接到涡轮机用于发电时，箱的相变材料的胶凝不能平滑温度的波动或者维持温度的恒定。
[0039]-为了能够保证最好的热活塞，温变式蓄热的适当操作对箱中流体的分布极为敏感。在文献ZL 200720051634.5中，相变材料包含在管道/格栅型交换器中，该管道/格栅型交换器还用作下游的岩床的分配器。由于管道/格栅交换器的外壁与箱的内壁之间存在流体短回路(流体短回路是必需的以便允许箱的壁与管道/格栅的壁的细微膨胀)，因此存在该设备在岩床的进口处分配不良的重大风险。
[0040]-最后，由于两种相变材料设置高温和低温，因此仅能针对单个操作来优化该系统。
【发明内容】
[0041]因此，本发明的目的是提出一种总体操作都被改进的太阳能发电站。
[0042]通过下述太阳能发电站来实现上述目的，该太阳能发电站包括:至少一个太阳能场、转换成电能的转换系统和蓄热系统、以及包括相变材料的至少一个第一热交换器，所述至少一个第一热交换器放置在提供转换系统和蓄热系统以热流体的上游以及太阳能场的出口与蓄热系统之间。相变材料具有在操作期间的各个阶段中使流经相变材料的流体的温度平滑变化的效应:
[0043]?在仅蓄热阶段(操作模式被称作A)中，相变材料使离开太阳能场SF并且供给蓄热系统的流体的温度平滑波动；
[0044].在仅非蓄热阶段(操作模式被称作B)中，相变材料使离开蓄热系统流向能量转换系统的流体的温度平滑波动；