技术领域
[0001] 一般而言，本
发明涉及集中式太阳能电力(CSP)领域。具体而言，本发明
实施例涉及利用集中式太阳能电力来发电的太阳能热力发电站。
背景技术
[0002] 集中式太阳能电力(CSP)涉及使用透镜、反射镜或其它光学设备来将太阳能
辐射从大入射区域聚焦在小区域上。来自太阳能辐射的
能量然后用于生成电力。集中式太阳能电力具有在未来变成重要
能源的潜力。
[0003] 对于集中式太阳能电力技术已经存在许多提议。相信对于提供高效率电力生成具有最大潜力的技术是中央接收器太阳能热力发电站。这种技术涉及使用安装在塔上面的太阳能辐射接收器来接收由位于塔周围的太阳能场中的
跟踪反射器阵列反射以入射到其上的太阳能辐射。跟踪反射器通常是
定日镜，并且定日镜阵列一般被称为定日镜场。
[0004] 图1是常规直接
蒸汽集中式太阳能热力发电站的图解例证，其中太阳能辐射由定日镜场2反射以入射到安装在塔6上面的太阳能辐射接收器4上。所反射的太阳能辐射直接加热在电力生成线路8中循环的
水。这生成了用于驱动蒸汽
涡轮机发
电机组10的
过热蒸汽，并由此使用Rankine循环以众所周知的方式生成电力。除了蒸汽
涡轮机发电机组10之外，电力生成线路8还包含空气冷却式
冷凝器12和给水加热器14。
[0005] 直接蒸汽集中式太阳能热力发电站仅可在日照时间期间、在被反射以入射到太阳能辐射接收器4上的可用太阳能辐射足以在电力生成线路8中生成在所需压力和
温度的
过热蒸汽时有效操作。这是因为高压和高温蒸汽不能容易地存储以便随后使用。
[0006] 为了克服这个缺点，已经提议了具有能量存储能力的直接蒸汽集中式太阳能热力发电站。这些发电站将高
比热容
热能存储
流体（通常是熔盐或不同熔盐的混合物）用于能量存储。热能在填装循环期间通过加热熔盐进行存储，并且热能随后在排放循环期间被收回以加热水，并由此在电力生成线路中生成蒸汽。所生成蒸汽然后用于驱动蒸汽涡轮机发电机组以生成电力。
[0007] 需要第一换热器以在填装循环（charging cycle）期间将热能从未用于驱动蒸汽涡轮机的蒸汽转移到熔盐。还需要第二换热器以在排放循环期间从热熔盐收回热能，并将它转移到电力生成线路。因此存在多个热量转移阶段，这降低了这种类型太阳能热力发电站的效率。尤其是，当蒸汽在填装循环期间冷却时，它经历了
相变，而熔盐没有。热能转移到熔盐的量因而受限制，由此限制熔盐的最大可达温度，并导致所谓的“夹点损耗”。所以，当热能从热熔盐收回以在电力生成线路中生成蒸汽时，所生成蒸汽达到比最初用于加热熔盐的蒸汽显著更低的温度和压力。这显著降低了这种类型太阳能热力发电站的效率。而且，电力生成线路中的较低
蒸汽压力可能不足以满负荷运行蒸汽涡轮机发电机组，这意味着不能满足电力生成要求。
[0008] 另一类型集中式太阳能热力发电站利用太阳能辐射接收器来直接加热高比
热容热能存储流体，诸如熔盐。在这种类型的发电站中，热能从熔盐收回以加热电力生成线路中的水，并由此生成蒸汽以驱动蒸汽涡轮机发电机组，而不管现行日照条件如何。一般而言，在日照时间期间，这种类型的太阳能热力发电站没有直接蒸汽集中式太阳能热力发电站那么有效，这是因为通过在换热器中从熔盐收回热能在通过间接加热的所有时间都在电力生成线路中生成蒸汽。而且，这种类型的太阳能热力发电站一般没有直接蒸汽集中式太阳能热力发电站那么有吸引力，这是因为它的构造更复杂(并因此成本更高)，并且该技术仍处于比较早期的开发阶段。
[0009] 因此，将期望提供具有改进效率和操作灵活性的太阳能热力发电站。
发明内容
[0010] 根据本发明的一方面，提供一种太阳能热力发电站，所述太阳能热力发电站包括：塔；
多个定日镜，其包围所述塔并形成定日镜场；
太阳能辐射接收器，其安装在所述塔上，以接收由所述定日镜场反射的太阳能辐射；
电力生成线路，其包含用于驱动发电机产生电力的蒸汽涡轮机，所述电力生成线路中的水能够被由所述定日镜场反射到所述太阳能辐射接收器上的太阳能辐射直接加热以生成蒸汽来驱动所述蒸汽涡轮机；
能量存储线路，其包含能够被由所述定日镜场所反射的太阳能辐射直接加热的热能存储流体；以及
换热器，用于从所述能量存储线路中的所述热能存储流体中收回热能。
[0011] 太阳能辐射接收器和关联的电力生成线路在日照时间期间、尤其是在阳光充足条件期间、当由定日镜场反射到太阳能辐射接收器上的太阳能辐射足以在电力生成线路中生成过热蒸汽时提供高度有效的直接蒸汽生成。在填装循环期间热能也可同时存储在能量存储线路中，以便随后在排放循环期间收回，由此相对于上面所描述类型的常规直接蒸汽太阳能热力发电站增大操作效率和灵活性。因为在能量存储线路中循环的热能存储流体被太阳能辐射直接加热，而不是从加热线路中循环的蒸汽间接加热，因此不需要换热器将热量从蒸汽转移到热能存储流体，并且这导致太阳能热力发电站中的操作效率显著改进。附加地，被提供以从热能存储流体中收回热能的换热器显著小于在上面所描述类型的专用熔盐发电站中采用的换热器。
[0012] 在排放循环期间从热能存储流体中收回的热能可用于任何目的。
[0013] 在不充足太阳能辐射被反射到太阳能辐射接收器上时，所收回热能可最方便地用于生成用于太阳能热力发电站的电力生成线路的蒸汽，以例如在非日照时间期间或多
云条件期间在电力生成线路中生成在所需温度和压力的蒸汽，通常是过热蒸汽。相应地，换热器可设置成生成用于电力生成线路的蒸汽，并且更具体地说，可设置成将收回的热能转移到电力生成线路以支持电力生成线路中的蒸汽生成。转移到电力生成线路的所收回热能可加热在电力生成线路中循环的流体，即水或蒸汽，以提供在期望温度和压力的蒸汽。使用由换热器收回的热能间接生成的蒸汽可在蒸汽涡轮机的重新加热循环中、在蒸汽涡轮机的高压阶段中用于给蒸汽涡轮机的整个操作循环供电，或预加热用于蒸汽涡轮机的给水。将认识到，以这种方式使用所收回的热能显著改进了太阳能热力发电站的操作效率和灵活性。
[0014] 所收回的热能可用在充足的太阳能辐射被反射到太阳能辐射接收器上以生成在所需温度和压力的蒸汽来驱动蒸汽涡轮机时，例如以在太阳能热力发电站的瞬变操作期间支持太阳能热力发电站的启动、减少发电站启动时间或预先处理（precondition）一个或多个发电站组件，例如太阳能辐射接收器。
[0015] 所收回的热能可想得到地被提供给通常位于太阳能热力发电站附近的混合发电站或脱盐工厂。
[0016] 热能存储流体通常是液体。热能存储液体可以是熔盐，其例如可能能够被加热到大约580°C的最大操作温度，以便有效地存储热能。熔盐可以是
硝酸盐或
碳酸盐，不过其它形式的熔盐也完全在本发明的范围内，例如盐的混合物。
[0017] 能量存储线路可包含两个流体存储
位置，包括用于热能存储流体的两个箱，其中一个可以是高温流体存储箱，而另一个可以是
低温流体存储箱。能量存储线路备选地可在单个
温跃层流体存储箱中包含两个流体存储位置，例如其中高温流体在顶部而低温流体在底部，不过这些单箱存储解决方案仍在开发中。换热器可位于能量存储线路中高温流体存储位置与低温流体存储位置之间，当它在能量存储线路中从高温流体存储位置循环到低温流体存储位置时，使热能能够从热能存储流体中收回。
[0018] 在太阳能热力发电站的一种配置中，热能存储流体可被反射到安装在塔上的太阳能辐射接收器上的太阳能辐射直接加热。这种配置采用安装在塔上面的单个辐射接收器。相应地，太阳能辐射接收器可包含一个或多个第一接收器板，其用于接收由定日镜场反射的太阳能辐射，并将由反射的太阳能辐射提供的热能直接转移到电力生成线路中循环的流体，即水或蒸汽。太阳能辐射接收器还可包含一个或多个第二接收器板，其用于接收由定日镜场反射的太阳能辐射，并将由反射的太阳能辐射所提供的热能直接转移到在能量存储线路中循环的热能存储流体。
[0019] 在另一配置中，太阳能热力发电站可包含另外的太阳能辐射接收器，其可接收由定日镜场反射的太阳能辐射，并将由反射的太阳能辐射所提供的热能直接转移到在能量存储线路中循环的热能存储流体。
[0020] 另外的太阳能辐射接收器可安装在塔上，使得它接收由包围塔的定日镜场所反射的太阳能辐射。由于用于电力生成线路的太阳能辐射接收器和用于能量存储线路的另外的太阳能辐射接收器都安装在同一塔上，因此仅需要单个塔。
[0021] 太阳能热力发电站可包含另外的塔，在所述另外的塔上可安装另外的太阳能辐射接收器。定日镜场可包围所述塔和另外的塔。这可简化太阳能热力发电站的构造，这是因为用于能量存储线路的另外的太阳能辐射接收器通常小于用于电力生成线路的太阳能辐射接收器。这导致另外的塔的大小的随之而来并且有利的减小。
[0022] 定日镜场中多个定日镜的子集的位置可能够调整成有选择地定向太阳能辐射以将热能或者直接提供给所述电力生成线路或者直接提供给能量存储线路。太阳能热力发电站的操作效率因而可根据要求得到优化。
[0023] 当太阳能热力发电站包含具有一个或多个第一接收器板和第二接收器板的太阳能辐射接收器时，定日镜场中多个定日镜的子集的位置可能够调整成有选择地将太阳能辐射定向在第一接收器板上或第二接收器板上。
[0024] 当太阳能热力发电站包含太阳能辐射接收器和另外的太阳能辐射接收器时，定日镜场中多个定日镜的子集的位置可能够调整成有选择地将太阳能辐射定向在太阳能辐射接收器上或另外的太阳能辐射接收器上。当另外的太阳能辐射接收器安装在与该太阳能辐射接收器相同的塔上或安装在另外的塔上时，可提供定日镜的子集的该选择性调整。
附图说明
[0025] 图1是已知直接蒸汽集中式太阳能热力发电站的图解例证；图2是根据本发明的太阳能热力发电站的第一配置的图解例证；
图3是根据本发明的太阳能热力发电站的第二配置的图解例证；以及
图4是根据本发明的太阳能热力发电站的第三配置的图解例证。
具体实施方式
[0026] 现在将仅通过示例并参考附图描述本发明的实施例。
[0027] 参考图2，示出了太阳能热力发电站的第一配置20，其包括塔22和包围塔22的定日镜场24。定日镜场24包括多个单独的跟踪定日镜26，并且每个定日镜26的位置由适当编程的计算机控制的跟踪系统来调整，以跟踪太阳的移动。太阳能辐射接收器28安装在塔22之上，并且太阳能辐射由定日镜场24反射以入射到太阳能辐射接收器28上。
[0028] 发电站20包含直接蒸汽电力生成线路30，在直接蒸汽电力生成线路30中蒸汽由源自于由定日镜场24反射以入射到太阳能辐射接收器28上的太阳能辐射的热能直接生成。更具体地说，在电力生成线路30中循环的水被该热能加热，由此产生大约120巴到175巴的压力和大约565°C的温度的过热蒸汽。过热蒸汽循环通过电力生成系统32，由此生成电力，并且电力生成系统32通常包括通过其来膨胀过热蒸汽的蒸汽涡轮机发电机组、空气冷却式冷凝器和给水加热器。
[0029] 为了直接加热在电力生成线路30中循环的水，太阳能辐射接收器28包含沿圆周设置在太阳能辐射接收器28周围的多个第一接收器板34。其中每一个第一接收器板34包括多个平行竖直设置的小直径管，这些管在它们的上端和下端通过集管（header）连接。第一接收器板34
串联连接。在电力生成线路30中循环的水流过第一接收器板34中的管，在此它被源自于由定日镜场24反射以入射到第一接收器板34上的太阳能辐射的热能直接加热。尽管多个沿圆周设置的第一接收器板34可能是优选的，但也可提供单个第一接收器板34。
[0030] 除了直接蒸汽电力生成线路30之外，发电站20还包含能量存储线路36，其利用熔盐（例如硝酸盐或碳酸盐）或盐混合物（诸如60%的硝酸钠和40%的硝酸
钾的混合物）来存储热能。像在电力生成线路30中循环的水一样，熔盐被源自于由定日镜场24反射以入射到太阳能辐射接收器28上的太阳能辐射的热能直接加热。
[0031] 为了直接加热循环的熔盐，太阳能辐射接收器28包含沿圆周设置在太阳能辐射接收器28周围的多个第二接收器板38。其中每一个第二接收器板38包括多个平行竖直设置的小直径管，这些管在它们的上端和下端通过集管连接。第二接收器板38也串联连接，并形成到串联连接的第一接收器板34的第二流体线路。在能量存储线路36中循环的熔盐流过第二接收器板38中的管，在此它被源自于由定日镜场24反射以入射到第二接收器板38上的太阳能辐射的热能直接加热。第一接收器板36和第二接收器板38通常交替地在圆周方向上设置在太阳能辐射接收器28周围。尽管多个沿圆周设置的第二接收器板38可能是优选的，但也可提供单个第二接收器板38。
[0032] 能量存储线路36包含绝缘的热盐存储箱40和冷盐存储箱42。在填装循环期间已经由反射到第二接收器板38上的太阳能辐射直接加热的熔盐被
泵吸到热盐存储箱40。熔盐通常被加热到大约580°C的存储温度。换热器44设置在两个存储箱40、42之间，以当它在排放循环期间从热盐存储箱40循环到冷盐存储箱42时从热熔盐中收回热量。换热器44在操作上与电力生成线路30关联，并且由换热器44通过蒸汽生成而从熔盐收回的热量被转移到电力生成线路30，在此它可用于支持电力生成。
[0033] 太阳能热力发电站20可根据现行电力生成要求和可用的太阳能辐射量操作在不同模式下。为了改变操作模式，定日镜场24中多个定日镜26的子集可由计算机控制的跟踪系统控制，使得定日镜26可反射太阳能辐射以入射到与电力生成线路30关联的第一接收器板34上或入射到与能量存储线路36关联的第二接收器板38上。其中一些定日镜26设置成使得它们排他地专用于反射仅要入射到与电力生成线路30关联的第一接收器板34上的太阳能辐射。
[0034] 在日照时间期间，假如存在充足量的太阳能辐射，发电站可操作在混合生成/存储操作模式下。在这种混合操作模式下，定日镜26的子集中的至少一些定日镜的位置被控制成将太阳能辐射定向到与能量存储线路36关联的第二接收器板38上。在这种混合操作模式下，蒸汽在电力生成线路30中被由专用定日镜26反射到第一接收器板34上的太阳能辐射直接生成，并由电力生成系统32用于提供电力的立即生成。而且，在填装循环期间，在能量存储线路36中循环通过第二接收器板38的熔盐被反射到第二接收器板38上的太阳能辐射加热，并且经加热的熔盐被泵吸到热盐存储箱40。在这种混合操作模式下，发电站20利用电力生成线路30和电力生成系统32生成电力，并且同时利用能量存储线路36存储热能。在这两种情况下，由定日镜场24反射的太阳能辐射均提供对电力生成线路30中循环的水和能量存储线路36中循环的熔盐的直接加热，由此最大化发电站20的效率。
[0035] 如果在日照时间期间没有充足的太阳能辐射来在混合生成/存储操作模式下操作发电站20，则它可操作在仅生成模式下，其中定日镜26的子集的位置被控制成将太阳能辐射定向到与电力生成线路30关联的第一接收器板34上。这确保了定日镜场24将所有可用的太阳能辐射都定向到电力生成线路30中蒸汽的立即产生。
[0036] 在没有充足的太阳能辐射来直接加热在第一接收器板34中循环的水以提供在期望压力和温度的蒸汽以便有效操作电力生成系统32的时候，发电站20可操作在能量收回模式以支持在电力生成线路30中生成蒸汽。在这种操作模式下，换热器44用于在排放循环期间当热熔盐从热盐存储箱40流到冷盐存储箱42时从热熔盐中收回热能。这种操作模式可用在非日照时间期间、当太阳能辐射不可用于在电力生成线路30中生成蒸汽时。如果例如在阴天条件期间没有充足的太阳能辐射来在电力生成线路30中提供在期望压力和温度的蒸汽，则这种操作模式也可用在日照时间期间。
[0037] 参考图3，示出了太阳能热力发电站的第二配置46。发电站46与图2的发电站20共同共享许多特征，并且对应的组件因此用对应的附图标记标明了。
[0038] 发电站46包含两个太阳能辐射接收器48、50，它们两个都安装在同一塔22之上。第一太阳能辐射接收器48与电力生成线路30关联，并且包含一个或多个接收器板，由定日镜场24将太阳能辐射反射到所述一个或多个接收器板上。循环通过第一太阳能辐射接收器48的水因而被直接加热以生成用于电力生成系统32的蒸汽。第二太阳能辐射接收器50与能量存储线路36关联，并且包含一个或多个接收器板，由定日镜场24将太阳能辐射反射到所述一个或多个接收器板上。循环通过第二太阳能辐射接收器50的熔盐因而在填装循环期间被直接加热，并随后被泵吸到热盐存储箱40。随后能够利用换热器44从热熔盐中收回热量，如上面结合图2的发电站20所描述的。
[0039] 与电力生成线路30关联的第一太阳能辐射接收器48安装在与能量存储线路36关联的第二太阳能辐射接收器50下面，并且比它大。然而，应该理解到，第一太阳能辐射接收器48和第二太阳能辐射接收器50的相对位置和尺寸实际上将基于若干因素选择，其包含发电站46的结构考虑因素和热考虑因素以及能量存储要求。例如，第一太阳能辐射接收器48和第二太阳能辐射接收器50的位置可相反（reversed），或者它们可并排设置。
[0040] 发电站46可操作在不同模式下，如上面结合发电站20所描述的。像发电站20一样，发电站46的操作模式可通过控制定日镜场24中多个定日镜26的子集的位置来改变。这使太阳能辐射能够在仅生成操作模式期间排他地反射到第一太阳能辐射接收器48上，或者在混合生成/存储操作模式期间反射到第一太阳能辐射接收器48和第二太阳能辐射接收器50上。换热器44用于在能量收回模式期间从热熔盐收回能量。
[0041] 参考图4，示出了太阳能热力发电站的第三配置52。发电站52与图2和图3的发电站20和46共同共享许多特征，并且对应的组件因此用对应的附图标记标明了。
[0042] 像图3的发电站46一样，发电站52采用两个分开的太阳能辐射接收器54、56。第一太阳能辐射接收器54安装在第一塔58之上，并与电力生成线路30关联。第一太阳能辐射接收器54包含一个或多个接收器板，由定日镜场24将太阳能辐射反射到一个或多个接收器板上以直接加热循环通过第一太阳能辐射接收器54的水。第二太阳能辐射接收器56安装在与第一塔58分隔开的第二塔60之上，并与能量存储线路36关联。第二太阳能辐射接收器56包含一个或多个接收器板，由定日镜场24将太阳能辐射反射到所述一个或多个接收器板上。循环通过第二太阳能辐射接收器56的熔盐因而在填装循环期间被直接加热，并随后被泵吸到热盐存储箱40。随后能够利用换热器44从热熔盐中收回热量，如上面结合图2和图3的发电站20、46所描述的。
[0043] 发电站52可操作在不同模式下，如上面结合发电站20、46所描述的。发电站52的白天操作模式可通过控制定日镜场24中多个定日镜26的子集62的位置来改变。这使太阳能辐射能够在仅发电操作模式期间由定日镜子集62反射到安装在第一塔58上的第一太阳能辐射接收器54上，或者在混合生成/存储操作模式期间反射到安装在第二塔60上的第二太阳能辐射接收器56上。定日镜场24中的其中一些定日镜26(在图4中显示为子集64)设置成使得它们将太阳能辐射排他地反射到安装在第一塔58上的第一太阳能辐射接收器54上。换热器44用于在能量收回模式期间从热熔盐收回能量。
[0044] 尽管已经在以上段落中描述了本发明的实施例，但应理解，在不脱离本发明范围的前提下可对那些实施例进行各种
修改。
[0045] 例如，尽管换热器44设置成使得从热熔盐收回的热能被转移到电力生成线路30以支持蒸汽生成，但收回的热量也可用于其它目的，诸如早先在此
说明书中描述的那些目的。
[0046] 在图2的发电站20中，第一接收器板34和第二接收器板38可设置成在竖直方向上彼此相邻，而不是在圆周方向彼此相邻。
[0047] 尽管热能存储流体通常是熔盐，但也可采用具有高比热容的其它热能存储流体。
[0048] 为了简化上面参考图2至4描述的太阳能热力发电站20、46、52的构造，可用单个温跃层熔盐存储箱替换分开的热盐存储箱40和冷盐存储箱42。在温跃层熔盐存储箱中，热熔盐通常存储在箱的顶部，而冷熔盐通常存储在箱的底部。在这种情况下，换热器44将位于热熔盐存储位置与冷熔盐存储位置之间，使得当它从在箱顶部的热熔盐存储位置流到在箱底部的冷熔盐存储位置时，可从热熔盐收回热量。
