专利名称：用于工作流体的太阳能加热系统的制作方法
技术领域：
本申请一般涉及太阳能加热系统(例如，太阳能锅炉系统)和包括该系统的设备(例如，发电、空调、脱盐、石油化学加工以及增强的采油(oil recovery)设备)。
背景技术：
需要备选能源来继续为众多处理供给能量以便适应世界范围内日益增长的人口。一种这样的能源为太阳能，这是因为太阳能容易在特定地理区域获取并可以用于进行作业或提供在许多工业处理中使用的热。例如，可以利用从太阳能可得的热，并将其用于升高工作流体(例如，水或油)的温度和可选地压力，从而提供高温工作流体。然后，工作流体可被供给到例如用于发电的涡轮。然而，涡轮通常对输入的工作流体的压力和温度敏感。例如，升高工作流体入口压力和温度会提高涡轮效率。相反地，降低工作流体入口压力和温度将降低涡轮效率。这产生了太阳能系统的一个问题，因为由该系统产生的热能的量依赖于可得的太阳光的量。不幸地，太阳光的量根据一天中的时段、一年中的时节、天气等等而变化。由此，太阳能系统的热能输出是不一致的和不可靠的。作为上述问题的结果，许多常规蒸汽涡轮发电设备使用太阳能装置(solarplant)作为用于基于燃料的主装置的辅助加热系统。例如，EP0784157描述了具有用于加热流入蒸汽涡轮装置的工作流体的并联设置的太阳能装置和全燃料加热装置的发电设备。然而，太阳能装置仅被用作辅助加热装置，例如，作为全燃料主加热装置的节热器或过热器。由此，由于该系统包括常用燃料/太阳能部分，因此该太阳能装置不独立于全燃料装置。结果，在不操作全燃料加热装置的情况下，不能使用太阳能装置。由此，需要可独立于全燃料主加热装置操作的太阳能加热系统。
发明内容
本文中提供了涉及加热系统的各种实施例。所述系统包括第一管线(pipeline)，其被配置为将工作流体运载到包括第一燃料加热器的燃料加热装置(heating plant)。所述系统还包括太阳能加热装置，所述太阳能加热装置与所述燃料加热装置并联(inparallel)且被配置为接收由所述第一管线运载的所述工作流体的至少一部分。所述太阳能加热装置包括太阳能加热器和位于所述太阳能加热器的下游的第二燃料加热器。所述第二燃料加热器独立于所述第一燃料加热器。所述系统还包括第二管线，其被配置为从所述太阳能加热装置和所述燃料加热装置接收所述工作流体。所述第二管线被配置为将所述工作流体运载到涡轮以产生电力。在一些实施例中，所述太阳能加热装置和所述燃料加热装置被配置为输出处于预定温度和预定压力下的所述工作流体。在一些实施例中，所述第二燃料加热器被配置为所提供的热至多为使所述工作流体到达所述预定温度和预定压力所需的热的25%。在其他实施例中，由所述第一燃料加热器和所述第二燃料加热器提供的热小于经加热的工作流体中的热的2%。在一些实施例中，所述第一燃料加热器包括燃料燃烧锅炉(fuel fired boiler),所述燃料燃烧锅炉被配置为对所述工作流体进行节热(economize)、蒸发以及过加热。所述第二燃料加热器包括节热器(economizer)和过热器(superheater)。在其 他实施例中，所述第二燃料加热器包括预加热部。本文中还提供了用于操作加热系统的方法和计算机可读的存储介质。提供了将全燃料燃烧加热装置转换为混合太阳能/燃料加热装置的方法。在一些实施例中，所述方法包括提供太阳能加热装置，将所述太阳能加热装置的输入连接到所述全燃料燃烧加热装置的输入；以及将所述太阳能加热装置的输出连接到所述全燃料燃烧加热装置的输出。还提供了将太阳能加热装置转换为混合太阳能/燃料加热装置的方法。在一些实施例中，所述方法包括提供全燃料燃烧加热装置；将所述全燃料燃烧加热装置的输入连接到所述太阳能加热装置的输入；以及将所述全燃料燃烧加热装置的输出连接到所述太阳能加热装置的输出。
图I示例了示例性发电系统；图2示例了另一示例性发电系统；图3示例了又一示例性发电系统；图4示例了再一示例性发电系统；图5示例了用于将全燃料燃烧加热装置转换为混合太阳能/燃料加热装置的示例性方法；图6示例了用于将太阳能加热装置转换为混合太阳能/燃料加热装置的示例性方法；以及图7示例了可用于实施本文中的各种实施例的部分或全部处理功能的示例性计算系统。
具体实施例方式虽然在下面详细讨论了各种具体配置，但关于本文中讨论的系统、设备以及方法，可以单独地、组合地或全体地应用操作模式、相关设备以及各种配置。因此，本领域的普通技术人员应理解，在特定的配置和操作的上下文中对设备和操作策略的描述不受在附图中所讨论内容的限制，而是被视为可应用于本文中公开的每个系统、设备以及方法。本文中讨论的系统、设备以及方法在操作上是充分灵活的，以便在操作期间根据需要或恒定地或一致地提供经加热的工作流体的可靠供给，从而进行有效工作。该系统还可以允许所收集的太阳能向电力的更高的总转换速率。如上所述，工作流体入口压力和温度会影响涡轮的效率。例如，降低入口压力会降低涡轮效率，并且对于给定的工作量，增加了对工作流体的使用。对于一些涡轮，入口蒸汽压力的10%的增大可对应于涡轮效率的约I. 5%的提高。另外，冷凝涡轮在工作流体为370°C和100巴的蒸汽时可具有约37%的效率，而同一涡轮在工作流体为540°C和100巴的蒸汽时可具有约41 %的效率。由此，对于入口蒸汽温度的每40°C的升高，存在约I %的效率提高。因此，本文中公开的系统通过提高对热的总利用效率来增加对太阳能的利用。下面提供与太能能加热系统有关的各种实施例。该系统可利用太阳能和燃料燃烧加热器来加热工作流体。该系统可具有燃料加热装置和太阳能加热装置，燃料加热装置具有第一燃料燃烧加热器以加热工作流体的第一部分，太阳能加热装置具有太阳热能加热器和第二燃料燃烧加热器以加热工作流体的第二部分。第一和第二部分可以在管线中合并(join)以将经加热的工作流体提供到诸如发电设备、脱盐设备、石油化工设备、增强的采油设备、或空调设备。
图I示例了用于发电的示例性发电系统100。发电系统100包括工作流体加热系统Iio和发电机120。发电机120可包括涡轮121和DC或AC发电机，例如，诸如交流发电机的发电机或AC发电机。发电机可被配置为提供例如约等于或高于约1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、75、100、200、250、300、400、450、500MW 的电力或更高的电力(如果需要)以及上述每种电力级别的多倍。工作流体加热系统110包括第一管线111、第一工作流体加热器101 (在本文中有时也称为“第一加热器”)、第二工作流体加热器102 (在本文中有时也称为“第二加热器”)以及第二管线115。第一工作流体加热器101包括一个或多个燃料燃烧加热器，例如，图示的天然气燃烧锅炉112。第二工作流体加热器102包括一个或多个太阳热能加热器113 (在本文中有时也称为“太阳能加热器”)以及一个或多个燃料燃烧加热器114。发电系统100还包括用于冷凝来自涡轮121的蒸汽的蒸汽冷凝器116，并与第一管线111流体连通，从而将水再循环到工作流体加热系统110。为方便起见，将第一工作流体加热器101的一个或多个燃料燃烧加热器合称为“第一燃料燃烧加热器112”，将第二工作流体加热器102的一个或多个燃料燃烧加热器合称为“第二燃料燃烧加热器114”。第一管线111包含诸如水的工作流体，如果需要，可以在第二燃料燃烧加热器114的预加热部中预加热该工作流体。可以将所有工作流体发送到第一工作流体加热器101，可以将所有工作流体发送到第二工作流体加热器102，或者可以将工作流体分成第一部分和第二部分，第一部分和第二部分通过其相应的加热器的每一个。在分割工作流体时，可以使第一和第二加热器101和102中的任一个不工作或处于空闲，以便向相应的流体蒸汽提供最少的热。经常地，希望大部分或全部的热由太阳能加热器113提供。因此，太阳能加热器113可以具有这样的尺寸，使得在第一和第二燃料燃烧加热器112和114根据需要被关掉、空闲或操作为补充加热时，通过太阳能加热器113向工作流体提供工作要求(例如，发电机)所需的热的至少例如约75%、约90%或全部。第二燃料燃烧加热器114可以主动加热从太阳能加热器113输出的工作流体的第二部分，以确保经加热的工作流体具有足够的能量以满足要求，或者确保加热的工作流体具有希望的温度和压力。例如，如果水/蒸汽被用作工作流体，第二燃料燃烧加热器114可以主动加热从太阳能加热器113输出的蒸汽或热水的第二部分以确保蒸汽在离开燃料燃烧加热器时具有在希望的操作压力下的希望的品质或温度。离开第二燃料燃烧加热器114的工作流体的温度和压力可被选择为提供足以允许涡轮操作在希望的频率处或希望的效率范围内(例如，对于冷凝涡轮，至少约35%、36%、37%、38%、39%、40%、41%、42%或更高的效率)的入口流体条件。在一些变体中，第二燃料燃烧加热器114操作为使过热的蒸汽离开第二燃料燃烧加热器114，其中过热的蒸汽处于约90巴、100巴、110巴、120巴或更大的压力下，且过热的蒸汽的温度为约350°C、370O、390O、400O、420O、440O、4 60O、480O、500O、520O、540O、560O或更高。在一些变体中，第二燃料燃烧加热器114可被配置为使约100巴和540°C的过热的蒸汽离开第二燃料燃烧加热器114。在例如太阳能加热器113因多云或维护或为符合峰值需要要求而正在其能力之下加热时，第一燃料燃烧加热器112可被用于加热工作流体的第一部分。第一燃料燃烧加热器112可被选择且操作为使得离开第一燃料燃烧加热器112的工作流体的部分的温度和压力与离开第二燃料燃烧加热器114的工作流体的部分的温度和压力大致(generally)匹配。太阳能加热器113可以充分加热工作流体以使流体改变相或者可以不充分加热工作流体。太阳能加热器113可包括诸如蒸汽锅炉的锅炉，且在被配置为蒸汽锅炉时，从太阳能锅炉输出的蒸汽可以是饱和的或过热的。在一些实例中，太阳能加热器113可被配置为产生370°C和120巴的蒸汽。第二燃料燃烧加热器114典型地被定位为接收已经被太阳能加热器113加热的工作流体的第二部分。如上所述，因此，第二燃料燃烧加热器114可通过添加热以进一步升高工作流体的第二部分的温度或压力来改善工作流体的第二部分的“品质”。第二燃料燃烧加热器114因此还可以使工作流体的第二部分的部分或全部改变相，或者该加热器可以添加更多的热而不改变工作流体的第二部分的相。第一燃料燃烧加热器112可以充分加热工作流体以使流体改变相或者可以不充分加热工作流体。典型地，第一燃料燃烧加热器112具有的尺寸和能力(capacity)足以将工作流体的第一部分加热为与从第二工作流体加热器102输出的工作流体的第二部分的特性匹配。典型地，从第一工作流体加热器101输出的工作流体的第一部分将具有与从第二工作流体加热器102输出的工作流体的第二部相同、或至少基本上相似的温度和压力。在一些实例中，从第一工作流体加热器101输出的工作流体的温度和压力与从第二工作流体加热器102输出的工作流体的温度和压力之间的差异可小于10%、5%、4%、3%、2%、1%>0. 5%或更小。第二燃料燃烧加热器114可选地可具有预加热部，其中在被供给到太阳能加热器113之前以小的相变或没有相变地预加热工作流体。太阳能加热器113典型地具有提供经加热的工作流体中的热的至少50%的能力。在一些实施例中，例如，太阳能加热器113的产热能力较大，例如为经加热的工作流体中的热的至少 55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99% 或全部的热。在这些实施例中，大部分或全部工作流体通过第二工作流体加热器102，例如，工作流体的至少 55%,60%,65%,70%,75%,80%,85%,90%,95%,96%,97%,98%,99%^；全部通过第二工作流体加热器102。可以即时地或按小时、按太阳日、按操作周期、按周、按月或按年平均地计算所利用的太阳能热的百分比。
发电系统可被配置为使燃料燃烧加热器总共提供的热小于被供给到第二管线115的工作流体的第一部分和第二部分中的热的约5%、10%、15%、20%、25%、35%、40%或45% (例如，小于约25% )。因此，第一和第二燃料燃烧加热器112和114可被配置为燃烧一定量的诸如天然气、丙烧、煤、油、生物质(biomass)、填埋气(landfill gas)(例如，甲烧)或任何合适的废物燃料(例如，垃圾、轮胎等等)的燃料来供给工作流体的第一和第二部分中的热中的小于约5%、10%、15%、20%、25%、35%、40%或45% (例如，小于约25% )的热。可以即时地或按小时、按太阳日、按操作周期、按周、按月或按年平均地计算所利用的太阳能热的百分比。与太阳能加热器113结合工作的第二燃料燃烧加热器114因此可以在一些情况下或在一些操作条件下，向工作流体的第二部分提供很少的热或不提供热。第二燃料燃烧加热器114可具有预加热部，该预加热部被配置为在工作流体被引入太阳能加热器113之前以小的相变或没有相变地预加热供给到太阳能加热器113的工作流体。第二燃料燃烧加热器114典型地在太阳能加热器113的下游。第二燃料燃烧加热器114可操作为确保从第二工作流体加热器102输出的工作流体或用于工作的经加热的工作流体具有一致的温度和压力，以提供要利用该工作流体完成的工作量并符合涡轮121的入口蒸汽规范。
·
例如，当多云使太阳能加热器113的输出暂时降低时，由第二燃料燃烧加热器114·供给的热的量增加以补偿由云阻挡的热，并且在霾、雾、灰尘等等的情况下同样如此。如果暴风雨、大量的云、一天中的时段、或一年中的时节使来自太阳能加热器113的输出降低时，可通过第二燃料燃烧加热器114添加更多的热。备选地或附加地，第一燃料燃烧加热器112可以通过将工作流体的第一部分直接加热到希望的压力和温度来补充加热，以对太阳能加热器113和第二燃料燃烧加热器114进行补充或分流(bypass)，确保更一致品质的工作流体进入涡轮121。可以将第一和第二燃料燃烧加热器112和114的协作设定为向涡轮121的入口提供工作流体的经选择的温度和压力的稳定供给，从而实现希望的涡轮性能，但却减少所消耗的化石燃料的量。由于需要将工作流体的第一部分直接加热到工作条件而没有太阳能量辅助，第一燃料燃烧加热器112由此可具有比第二燃料燃烧加热器114更高的加热能力。或者，第二燃料燃烧加热器114可因为通过第二燃料燃烧加热器114的工作流体的量较大而具有比第一燃料燃烧加热器112大的加热能力，否则每个加热器的加热能力可以相同。如上所述，当使用水作为工作流体时，使用两个燃料燃烧加热器112和114允许系统100在任何太阳光条件下(例如，白天、夜晚、晴天、多云等等)产生电力。例如，当不存在足够的太阳光来操作太阳能加热器113时，可以使用第一工作流体加热器101的第一燃料燃烧加热器112产生足够的蒸汽以全力运行发电机120。然而，当存在足够的太阳光来操作太阳能加热器113时，可以单独地或与第一工作流体加热器101结合地使用第二工作流体加热器102来产生使发电机120运行的蒸汽。这对于常规的单加热器系统(例如，具有与线内(inline)加热器串联的太阳能加热器的系统)是不可能的。这是因为，常规加热器典型地需要加热器的指定部分来使水蒸发。在常规系统中，与上述太阳能加热器/线内加热器系统相似地，线内加热器需要蒸发器以在不存在足够的太阳光来蒸发太阳能加热器中的水时的时段期间工作。然而，该加热器还需要内部旁路以便在太阳能加热器接收到足以蒸发水的太阳光时对蒸发器分流。这样的加热器目前不可得，并且如果被制造出来，也可能极为昂贵。由此，在一些实施例中，第二燃料燃烧加热器114可包括线内过热器和节热器，不具有蒸发器。在这些实施例中，第二燃料燃烧加热器114可以仅仅升高从太阳能加热器113离开的蒸汽的温度。第一燃料燃烧加热器112可包括被配置为对给水(feedwater)进行节热(economize)、蒸发以及过加热的常规燃料燃烧锅炉。由此，即使在太阳能加热器113不工作时，第一燃料燃烧加热器112也可全力操作。在一些实施例中，来自第一燃料燃烧加热器112和第二燃料燃烧加热器114中的一者或二者的经加热的工作流体可被用于在太阳能加热器113已经空闲一段时间时(例如，在早晨)或在已进行维护之后预加热太阳能加热器113。附加的管道可以使第一燃料燃烧加热器112的出口与太阳能加热器113的入口连接，例如，以便将诸如蒸汽的经加热的工作流体传送到太阳能加热器113中，并且，第二燃料燃烧加热器114可以在该蒸汽进入第二管线115之前将该蒸汽和任何冷凝物加热到希望的温度和压力。备选地或附加地，附加的管道可以使第二燃料燃烧加热器114的出口与太阳能加热器113的入口连接，以便 在再加热第二燃料燃烧加热器114中的工作流体之前使经加热的工作流体再循环通过太阳能加热器113。如上所述，本文中讨论的任何配置的太阳能加热器113可以为线性菲涅耳反射器(LFR)阵列。在美国专利No. 5，899，199和6，131,565以及美国专利申请No. 10/597, 966和10/563，171中讨论并示出了 LFR阵列，通过引用将每篇文献公开的全文全部并入在本文中，因而每篇文献将被阅读为好像在下面充分公开了一样。可被并入本文的系统和设备的LFR阵列的其他特定配置包括在以下文献中公开的那些配置于2008年8月27日提交的名称为 “Linear Fresnel Solar Arrays” 的 PCT 申请 PCT/US2008/010230 ;于 2008 年8 月 27 日提交的名称为 “Linear Fresnel Solar Arrays and Components Therefor” 的PCT 申请 PCT/US2008/010223 ;于 2008 年 2 月 5 日提交的名称为 “Linear Fresnel SolarArrays and Receivers Therefor” 的美国申请 12/012，829 ;于 2008 年 2 月 5 日提交的名称为 “Linear Fresnel Solar Arrays and Drives Therefore，，的美国申请 12/012，821 ;于 2004 年 7 月 I 日提交的名称为 “Carrier for a Solar Energy Reflector Element”的 PCT 申请 PCT/AU2004/000884 ;于 2004 年 7 月 I 日提交的名称为 “Carrier and DriveArrangement for a Solar Energy Reflector System，，的 PCT 申请 PCT/AU2004/000883 ;以及于 2005 年 2 月 17 日提交的名称为“Multi-Tube Solar Collector Structure”的 PCT申请PCT/AU2005/000208，通过引用将每篇文献公开的全文全部并入在本文中，因而每篇文献将被阅读为好像在下面充分公开了一样。在LFR阵列中，被安装在反射器结构上的多行平坦或弯曲(例如，抛物截面)的镜子将光反射到在该反射器结构行上方提高的单接收器。每个行典型地围绕与该行平行的枢轴线旋转，但在大多数情况下不能以任何其他方式自由移动。接收器因而典型地具有一个自由度(滚动(roll))。接收器可具有工作流体(例如，水或蒸汽)通过其流动的单个管，或接收器可具有工作流体(例如，水或蒸汽)通过其流动的多个管。接收器可以具有或不具有与其关联的一个或多个反射器以俘获由反射器结构反射的光并帮助利用反射光(该反射光否则如果不被再次导向，则不能做有用功)来照射一个或多个接收器管。会聚在接收器管上的反射器的数目和LFR阵列的尺寸(例如，阵列中的接收器的数目，或者接收器和反射器行的长度)可被选择为提供离开太阳能加热器的诸如水的经加热的工作流体、诸如饱和蒸汽的饱和工作流体、或诸如过热蒸汽的过热工作流体。所述管可以由被选择为满足对系统的工作温度和压力条件的地区或国家锅炉规范的材料构成。例如，碳钢管可被用于在100巴或更高的压力和约300°C或更高的温度下操作的系统。太阳能加热器可以替代地或附加地为槽式阵列(trough array)。例如，在美国专利7，296，410中讨论并示出了槽式阵列，通过引用将该文献公开的全文全部并入在本文中，因而该文献将被阅读为好像在下面充分公开了一样。在槽式阵列中，单行的截面为曲面(例如，抛物面)的镜(miiTor)将光反射到与该镜行相关联 的单个接收器。与LFR阵列一样，槽式阵列的每行典型地沿与该行平行的枢轴线旋转，但其他可能的移动受到限制，因此仅仅具有一个自由度(滚动)。然而，在槽式阵列中存在反射器行和接收器的I : I对应，而在LFR系统中，每接收器的反射器行的数目大于I。会聚在接收器管上的反射器的行数目和长度可被选择为提供从太阳能加热器离开的经加热的工作流体、饱和工作流体或过热工作流体，如本文中所解释的。太阳能加热器可以替代地或附加地为抛物面盘(parabolic dish)太阳能加热器。例如，在美国专利7，051，529中讨论并示出了这样的盘加热器，通过引用将该文献公开的全文全部并入在本文中，因而该文献将被阅读为好像在下面充分公开了一样。抛物面盘太阳能收集器的镜典型地在通过焦点绘制的所有截面中为抛物线形，而槽式或LFR阵列的镜典型地仅在与镜的长度垂直地绘制的截面中为抛物线形。该盘还典型地通过在多于一个方向上移动来跟踪太阳，因此具有多于一个的自由度。可以选择会聚在其太阳能接收储能器(reservoir)上的盘的尺寸以及串联或并联设置的这些太阳能加热器的数目，以提供从太阳能加热器离开的经加热的工作流体、饱和工作流体或过热工作流体，如本文中所解释的。太阳能加热器可以替代地或附加地为能量塔(power tower)。例如,在美国专利6，931，851中讨论并示出了这样的能量塔，通过引用将该文献公开的全文全部并入在本文中，因而该文献将被阅读为好像在下面充分公开了一样。在能量塔中，围绕塔设置多个定日镜(heliostat)以将光会聚到位于定日镜的焦点处的接收储能器。定日镜典型地沿多于一个的方向跟踪太阳，因此具有多于一个的自由度。可以选择会聚在塔上的反射器的数目和尺寸，以提供从太阳能加热器离开的经加热的工作流体、饱和工作流体或过热工作流体，如本文中所解释的。第一太阳能加热器113可以包括上述任何系统或其任何组合，例如，LFR阵列-抛物槽式阵列、LFR阵列-太阳能能量塔系统、LFR阵列-太阳能盘系统、抛物槽式阵列-太阳能能量塔系统、抛物槽式阵列-太阳能盘系统、LFR阵列-抛物槽式阵列-太阳能能量塔系统、LFR阵列-抛物槽式阵列-太阳能盘系统、或抛物槽式阵列-太阳能能量塔系统-太阳能盘系统。燃料燃烧加热器(例如，第一燃料燃烧加热器112和第二燃料燃烧加热器114)可以包括煤燃烧加热器、柴油或其他液体燃料燃烧加热器、甲烷燃烧加热器、丙烷燃烧加热器、废物-能量(waste to energy)或其他加热器。煤燃烧加热器或锅炉利用煤粉作为燃料源来加热通过燃烧器部分中的管的水，加热该水并可选地充分加热该水以产生饱和或过热蒸汽。气体燃烧加热器或锅炉使用诸如天燃气或丙烷的气体源替代煤作为燃料。废物-能量加热器使用废物流(waste stream)(例如，生物质、医疗废物、市政/工业固体废物、填埋气等等)作为燃料。燃料燃烧加热器可以包括或不包括预加热部，该预加热部允许工作流体在返回到用于随后煮沸或过加热的燃料燃烧加热器之前被预加热并发送到其他处理设备。因此，第一燃料燃烧加热器112、第二燃料燃烧加热器114或二者可以具有本文中公开的任何系统并可以具有作为加热器的一部分的预加热部。第一燃料燃烧加热器112和第二燃料燃烧加热器114可以包括相同或不同类型的加热器。在发电系统100中使用的工作流体可以为例如液体、气体、或液体-气体混合物。常见的实例为水、蒸汽(饱和或过热蒸汽)，或者备选地，有机液体或蒸气或无机液体或蒸气。如果使用诸如有机流体或基于聚娃氧烧(silicone)的流体的备选流体作为工作流体， 则有机流体可以具有在相关操作压力下的大于约150°C、200°C或250°C的沸点。有机流体可以具有在相关操作压力下的小于约200°C、300°C或400°C的沸点。备选工作流体的实例包括但不限于诸如熔融硝酸盐的各种无机熔盐、矿物油、包含联苯或二苯基苯氧化物的流体、基于乙二醇(glycol)的流体以及基于聚硅氧烷的流体。工作流体可以为Dowtherm 品系(family)的传热流体、Syltherm 品系的传热流体(二者从Dow Chemical Company,Midland, MI 可得)以及 Therminol 品系的传热流体(从 Solutia, Inc.，St. Louis, MO 可得)。在特定的变体中，工作流体可以为诸如空气、氮、氦或二氧化碳的蒸气。设备可以包括一个或多个上述工作流体加热系统。该系统可被并联配置，以便每个系统可根据需要而独立地操作或一起操作，如图2所示，其中图I的系统100被复制为100和100”，连同相关装置。该系统还可共享共同部件。例如，第一工作流体加热器(例如，图3的气体锅炉312)在利用太阳能加热工作流体蒸汽的一部分的多个工作流体加热器(例如，具有太阳能加热器113和过热器114的工作流体加热器以及具有太阳能加热器113’和过热器114’的另一工作流体加热器)之间共享，如图3所示。备选地或附加地，可以由多个太阳能加热器113和113’共享第二工作流体加热器(例如，图4的线内过热器和预加热器114)，如图4所示。使用上述系统的配置允许将常规全燃料燃烧加热装置修改为如图1-3所示的混合太阳能/燃料系统。例如，图5示例了用于将燃料燃烧加热装置转换为混合太阳能/燃料装置的示例性方法500。在块501，提供太阳能加热装置，例如，与第二工作流体加热器102相似的装置。太阳能加热装置可以包括太阳能加热器和下游燃料加热器。太阳能加热装置的燃料加热器可以独立于全燃料燃烧加热装置的燃料加热器。换言之，可以在全燃料加热装置空闲或关闭时操作太阳能加热装置的燃料加热器，反之亦然。在块503，可以将太阳能加热装置的输入连接到全燃料燃烧加热装置的输入。在块505，可以将太阳能加热装置的输出连接到全燃料燃烧加热装置的输出。由此，太阳能加热装置和全燃料燃烧加热装置可以是并联的，且工作流体可选择性地通过加热装置中的任一者或二者，这与关于图I在上面描述的发电系统100相似。因此，可以将全燃料燃烧加热装置修改为混合太阳能/燃料装置而不用重新设计该装置的全燃料燃烧加热部分。相似地，可以将常规太阳能加热装置修改为如图1-3所示的混合太阳能/燃料系统。例如，图6示例了用于将太阳能加热装置转换为混合太阳能/燃料装置的示例性方法600。在块601，提供全燃料燃烧加热装置，例如，与第一工作流体加热器101相似的装置。该全燃料燃烧加热装置可以包括与太阳能装置的燃料加热器分离的燃料加热器。换言之，可以在太阳能加热装置的燃料加热器空闲或关闭时操作全燃料加热装置的燃料加热器。在块603，可以将全燃料燃烧加热装置的输入连接到太阳能加热装置的输入。在块605，可以将全燃料燃烧加热装置的输出连接到太阳能加热装置的输出。由此，太阳能加热装置和全燃料燃烧加热装置可以是并联的，并且，工作流体可选择性地通过加热装置中的任一者或二者，这与关于图I在上面描述的发电系统100相似。因此，可以将太阳能加热装置修改为混合太阳能/燃料装置而不用重新设计该装置的太阳能加热部分。可以分阶段构建设备或系统。某个设备可以在构建的第一阶段安装且之后操作。随后(例如，在初始构建或操作之后的一年、两年、三年、四年、五年、六年、七年或更多年)，可以安装其他设备以形成本文 中讨论的系统或设备，或实施本文中讨论的方法。例如，系统的大多数或全部部件(但不包括第二燃料燃烧加热器)可在现场售卖并构建。之后，可以安装第二燃料燃烧加热器以完成系统或实施本文中描述的方法。备选地，例如，系统的大多数或全部部件(但不包括第一燃料燃烧加热器)可在现场售卖并构建。之后，可以安装第一燃料燃烧加热器以完成系统或实施本文中描述的方法。在另一实例中，系统的大多数或全部部件(但不包括太阳能加热器)可在现场售卖并构建。之后，可以安装太阳能加热器以完成系统或实施本文中描述的方法。因此，可以作为一组未组装的零件而售卖系统，或通过提供缺少例如燃料燃烧加热器之一的系统且将其他燃料燃烧加热器安装到该系统而形成系统。上述任何系统可以被配置为通过将工作流体耦合到之前描述的发电机或吸收式制冷器(chiller)或耦合到脱盐单元、石油化学装置或增强的采油设备而提供电力或其他功用。脱盐单元可以为例如耦合到上述发电机的反渗透净水器或者被配置为从第二管线115接收经加热的工作流体的热脱盐系统。在增强的采油中，使用例如在本文中描述的系统产生的蒸汽通过一个或多个蒸汽喷射器而被引入到油井中。蒸汽有助于减小油粘性并使得能够从地层(formation)采集额外的油。石油化工装置使用大量的蒸汽。本文中描述的系统可以附接到蒸汽分布网络或歧管(manifold)，该蒸汽分布网络或歧管将蒸汽提供给石油化工装置内的各种操作。食品加工设备可以包括本文中讨论的工作流体加热系统和连接到一个或多个食品加工桶(vat)或线路的集管(header)。工作流体提供热以用于对容器消毒、念饪食品或加工食品广品。空调系统可以包括本文中讨论的任何工作流体加热系统以及被配置从第二管线115接收经加热的工作流体的吸收式制冷器或者蒸汽或电力驱动的机械制冷器。例如，吸收式制冷器可以具有与工作流体加热系统100流体连通的压缩机和冷凝器，其中冷凝器被配置为将工作流体提供到第一管线111 (直接地或通过诸如冷凝器的其他设备)，且压缩机被配置为从第二管线115接收工作流体(直接地或通过诸如储存器的其他设备)。蒸馏系统可以包括本文中讨论的任何工作流体加热系统以及与来自第二管线115的经加热的工作流体相流体连通的一个或多个蒸馏柱。例如，一个或多个蒸馏柱可以从工作流体加热系统110的第二管线115接收蒸汽，以使流动通过蒸馏柱的液体沸腾而从液体分离成分。本文中描述的系统或方法当然可以被配置为为整个工作需要提供全部能量或部分能量，以便例如仅仅需要一个系统来进行所有工作，或者并联的多个系统提供充分加热的工作流体以满足整体需要。因此，上述系统或方法可与其他设备(例如，其他常规或备选的能量燃料(energy-fueled)锅炉)和方法协作，以提供要进行的所有工作。由此，满足上述工作需要未必意味着使用本文中的设备和方法获得的经加热的蒸汽提供满足特定工作需要所需的所有功用。本领域的技术人员将认识到可以根据需要使用硬件、软件、固件或其组合实施一些变体的操作。例如，可以在软件、固件或硬布线逻辑部分(本文中的术语“逻辑部分”是指固定的硬件、可编程逻辑部分或其适宜的组合，如本领域的技术人员为了实施上述功能时将认识到的)的控制下使用处理器或其他数字电路执行某些过程。可以将软件或固件存储在计算机刻度的存储介质上。如本领域的普通技术人员所公知的，可以使用模拟电路执行某些其他过程。另外，可以在本文中描述的装置和方法的实施例中采用存储器或其他存储装置以及通信部件。图7示例了可以被用于执行一些过程变体中的处理功能的典型的计算系统700。相关领域的技术人员同样将认识到如何使用其他计算机系统或架构来实现本文中描述的装置和方法。计算系统700可代表例如台式计算机(desktop)、膝上计算机(laptop)、笔记 本计算机、手持式计算装置(PDA、蜂窝电话、掌上电脑(palmtop)等等)、大型机、超级计算机、服务器、客户端或任何其他类型的专用或通用计算装置(如对于给定应用或环境是希望或适宜的)。计算系统700可以包括一个或多个诸如处理器704的处理器。可以使用通用或专用处理引擎(例如，微处理器、控制器或其他控制逻辑部分)实现处理器704。在该实例中，处理器704被连接到总线702或其他通信介质。计算系统700还可包括用于存储信息和将由处理器704执行的指令的主存储器708，优选随机存取存储器(RAM)或其他动态存储器。主存储器708还可用于在执行要由处理器704执行的指令期间存储临时变量或其他中间信息。计算系统700同样可包括耦合到总线702以用于存储静态信息和处理器704的指令的只读存储器(“ROM”)或其他静态存
储装置。计算系统700还可以包括信息存储机构710，其可以包括例如介质驱动器712和可移除存储接口 720。介质驱动器712可包括驱动器或其他机构以支撑固定或可移除的存储介质，例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器、CD或DVD驱动器(R或RW)或其他可移除或固定的介质驱动器。存储介质718可包括例如硬盘、软盘、磁带、光盘、CD或DVD或可由介质驱动器712读取和写入到介质驱动器712的其他固定或可移除的介质。如这些实例所示例的，存储介质718可包括具有已在其中存储了特定计算机软件或数据的计算机可读的存储介质。在一些变体中，信息存储机构710可包括其他相似的设备，以允许计算机程序或其他指令或数据装载到计算系统700中。这样的设备可包括例如可移除的存储单元722和接口 720 (例如程序盒式存储器(program cartridge)和盒式存储器接口(cartridgeinterface))、可移除的存储器(例如，闪速存储器或其他可移除的存储模块)和存储器槽、以及允许将软件和数据从可移除的存储单元722转移到计算系统700的其他可移除的存储单元722和接口 720。在一些变体中，计算系统700还可以包括通信接口 724。可以使用通信接口 724以允许软件和数据在计算系统700与外部装置之间转移。通信接口 724的非限制性实例可包括调制解调器、网络接口(例如，以太网或其他NIC卡)、通信口(例如，USB 口)、PCMCIA槽和卡等等。通过通信接口 724转移的软件和数据的信号形式可以是电子、电磁、光信号或能够通过通信接口 724接收的其他信号。这些信号经由通道728而被提供到通信接口 724。该通道728可以运载信号并可使用无线介质、线或电缆、光纤光学部件或其他通信介质而实现。通道的一些实例包括电话线、蜂窝电话链路、RF链路、网络接口、局域或广域网络以及其他通信通道。术语“计算机程序产品”和“计算机可读的存储介质”通常可用于表示诸如存储器708、存储装置718或存储单元722的介质。在向处理器704提供一个或多个指令的一个或多个序列以执行时，涉及这些和其他形式的计算机可读的存储介质。这样的通常称为“计算机程序代码”(可以以计算机程序形式或其他分组形式被分组)的指令在执行时能够使计算系统700执行本文中描述的装置和方法的实施例的特征或功能。在一些使用软件实现要素的变体中，该软件可被存储在计算机可读的存储介质中并通过使用例如可移除的存储驱动器712或通信接口 724而被加载到计算系统700中。控制逻辑部分(在该实例中，软件指令或计算机程序代码)在被处理器704执行时，使处理器 704执行本文中描述的装置和方法的功能。将理解，为了清楚起见，上述说明已经针对不同的功能单元和处理器描述了在本文中描述的装置和方法的实施例。然而，很显然，可以使用在不同功能单元、处理器或域(domain)之间的任何合适的功能分配，而不背离本文中描述的装置和方法。例如，被示例为由单独的处理器或控制器执行的功能可以由同一处理器或控制器执行。因此，对特定功能单元的提及仅被看作对用于提供所描述功能的合适装置的提及，而不是指严格的逻辑或物理结构或组织。虽然在上面提供了具体的部件和配置，但本领域的普通技术人员应理解可以使用任何其他部件变体。此外，虽然特征看起来与特定的实施例关联而被描述，但本领域的技术人员将认识到可以组合所描述的实施例的各种特征。此外，与实施例关联地描述的方面可以是孤立的。另外，虽然被单独列出，但可以通过例如单个单元或处理器实施多个装置、部件或方法步骤。此外，虽然单独的特征可以被包括在不同的权利要求中，但这些特征可以被有利地组合，并且在不同权利要求中的包含并不意味着特征的组合是不可行或不利的。同样，特征在一组权利要求中的包含并不意味着对该组的限制，而是该特征可根据需要而等同地应用于其他权利要求组。
权利要求
1.一种工作流体加热系统，包括 第一管线，其被配置为运载工作流体； 燃料加热装置，其包括第一燃料加热器，其中所述燃料加热装置被配置为接收由所述第一管线运载的所述工作流体的至少一部分； 太阳能加热装置，其包括太阳能加热器和第二燃料加热器，其中 所述第二燃料加热器在所述太阳能加热器的下游； 所述第二燃料加热器独立于所述第一燃料加热器； 所述太阳能加热装置与所述燃料加热装置并联；且 所述太阳能加热装置被配置为接收由所述第一管线运载的所述工 作流体的至少一部分； 第二管线，其被配置为从所述太阳能加热装置和所述燃料加热装置接收所述工作流体；以及 涡轮，用于使用所述工作流体产生电力，其中所述涡轮被配置为从所述第二管线接收所述工作流体。
2.根据权利要求I的系统，其中所述太阳能加热装置和所述燃料加热装置被配置为输出处于预定温度和预定压力下的所述工作流体。
3.根据权利要求1-2中任一项的系统，其中所述第二燃料加热器包括预加热部。
4.根据权利要求1-3中任一项的系统，其中所述第二燃料加热器被配置为所提供的热至多为使所述工作流体到达所述预定温度和所述预定压力所需的热的25%。
5.根据权利要求1-4中任一项的系统，其中所述第一燃料加热器包括燃料燃烧锅炉，所述燃料燃烧锅炉被配置为对所述工作流体进行节热、蒸发以及过加热，且其中所述第二燃料加热器包括节热器和过热器。
6.根据权利要求1-5中任一项的系统，其中由所述第一燃料加热器和所述第二燃料加热器提供的热小于经加热的工作流体中的热的2%。
7.一种加热工作流体的方法，所述方法包括 使所述工作流体流动流过第一管线； 使来自所述第一管线的所述工作流体的至少一部分流过燃料加热装置，所述燃料加热装置包括第一燃料加热器； 使来自所述第一管线的所述工作流体的至少一部分流过太阳能加热装置，所述太阳能加热装置包括太阳能加热器和第二燃料加热器，其中 所述第二燃料加热器在所述太阳能加热器的下游； 所述第二燃料加热器独立于所述第一燃料加热器；且 所述太阳能加热装置与所述燃料加热装置并联； 使来自所述太阳能加热装置和所述燃料加热装置的所述工作流体流过第二管线；以及 使来自所述第二管线的所述工作流体流过涡轮以产生电力。
8.根据权利要求7的方法，其中所述太阳能加热装置和所述燃料加热装置被配置为输出处于预定温度和预定压力下的所述工作流体。
9.根据权利要求7-8中任一项的方法，其中所述第二燃料加热器被配置为所提供的热至多为使所述工作流体到达所述预定温度和所述预定压力所需的热的25%。
10.根据权利要求7-9中任一项的方法，其中所述第一燃料加热器包括燃料燃烧锅炉，所述燃料燃烧锅炉被配置为对所述工作流体进行节热、蒸发以及过加热，且其中所述第二燃料加热器包括节热器和过热器。
11.根据权利要求7-10中任一项的方法，其中由所述第一燃料加热器和所述第二燃料加热器提供的热小于经加热的工作流体中的热的2%。
12.—种将全燃料燃烧加热装置转换为混合太阳能/燃料加热装置的方法，所述方法包括 提供太阳能加热装置，所述太阳能加热装置包括太阳能加热器和第一燃料加热器，其中 所述第一燃料加热器在所述太阳能加热器的下游；且 所述第一燃料加热器独立于所述全燃料燃烧加热装置的第二燃料 加热器； 将所述太阳能加热装置的输入连接到所述全燃料燃烧加热装置的输入；以及 将所述太阳能加热装置的输出连接到所述全燃料燃烧加热装置的输出。
13.根据权利要求12的方法，其中所述太阳能加热装置被配置为输出处于与由所述全燃料燃烧加热装置输出的工作流体的压力和温度基本上相似的压力和温度的工作流体。
14.一种将太阳能加热装置转换为混合太阳能/燃料加热装置的方法，所述方法包括 提供全燃料燃烧加热装置，所述全燃料燃烧加热装置包括第一燃料加热器，其中所述第一燃料加热器独立于所述太阳能加热装置的第二燃料加热器； 将所述全燃料燃烧加热装置的输入连接到所述太阳能加热装置的输入；以及 将所述全燃料燃烧加热装置的输出连接到所述太阳能加热装置的输出。
15.根据权利要求14的方法，其中所述全燃料燃烧加热装置被配置为输出处于与由所述太阳能加热装置输出的工作流体的压力和温度基本上相似的压力和温度的工作流体。
全文摘要
本发明提供了一种工作流体加热系统，该系统利用太阳能和燃料燃烧加热器来加热工作流体。该系统可具有燃料加热装置和太阳能加热装置，所述燃料加热装置具有第一燃料燃烧加热器以加热工作流体的第一部分，所述太阳能加热装置具有太阳热能加热器和第二燃料燃烧加热器以加热工作流体的第二部分。所述第一和第二部分可以在管线中合并以向诸如发电设备、脱盐设备、石油化工设备、增强的采油设备或空调设备的设备提供经加热的工作流体。
文档编号F01K17/04GK102918232SQ201080039734
公开日2013年2月6日 申请日期2010年7月8日 优先权日2009年7月8日
发明者M·维尼托斯, D·C·V·霍金斯, W·M·康龙, C·S·J·皮可斯 申请人:阿海珐太阳能公司