CN104169578A - 混合矿物燃料和太阳能加热超邻界二氧化碳发电系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种整合式发电系统及方法，将燃烧发电与太阳能加热结合。具体而言，利用二氧化碳的工作流体的封闭的循环燃烧系统可通过使二氧化碳工作流束的至少一部分通过太阳能加热器，然后再通过燃烧器，来增加效率。

Description

混合矿物燃料和太阳能加热超邻界二氧化碳发电系统和方法
技术领域
本公开涉及太阳能加热系统和方法与矿物燃料燃烧发电系统和方法的整合。更尤其是，该整合系统利用太阳能加热来补充对燃烧发电系统和方法中再循环CO2蒸汽的燃烧加热，从而实现效率的提高。
背景技术
聚合式太阳能发电(CSP)系统典型的配置成将来自大面积的太阳光(例如来自一大片日光反射装置)的太阳能聚合在相对较小的接收器中，在该接收器中所聚合的光被转换成高热。然后可将这些热量用于产生电的常规手段，诸如加热水来产生蒸汽，以用于连接至发电机的涡轮机。这种已知的CSP系统可存在各种缺陷。例如，许多现有的CSP系统仅可在最优的日照条件下产生几乎最大的能量，这受到日照小时数和当地天气条件的限制。因此，现有的CSP系统仅在需要能量的时间的一部分时间中产生能量。而且，由于CSP系统一般仅起到用于集成式热力功率产生循环(例如蒸汽循环)的热源的作用，CSP系统效率明显受到所使用的热力循环的限制。这些限制的最终结果为，以相对于通过燃烧矿物燃料作为热源的常规系统产生的电力而言提高了的成本，通过已知CSP系统产生的太阳能电力向电网提供有限输出。
CSP系统的效率一般与温度相关。当由于集中的太阳射线导致温度升高时，可利用不同形式的转换。例如，在高达约600℃的温度下，诸如蒸汽涡轮机这样的标准技术被使用，效率在约40％的范围内。在600℃以上的温度下，燃气轮机可以被使用，效率提高了几个百分点。更高的温度已被证明是有问题的，因为这需要不同的材料和技术。对于非常高的温度，一种建议是与多级涡轮机系统相结合地使用在约700℃至800℃的温度下工作的液态氟化盐，声称这种系统实现了50％范围的热效率。更高的操作温度被看作是有益的，因为它们使得设备能够使用更高温度的干热交换器以用于热排放，并且这减少了水的使用，这在可实现大型太阳能厂的地区(例如沙漠环境)中是很重要的。
尽管高温系统很有前途，但以前对于实施CSP系统的尝试仅提供了有限的成功，并且还没有实现将CSP发电整合到主流中的经济而长效的装置。甚至对克服CSP技术中的基本缺陷的尝试，在没有太阳能输出或仅有较低太阳能输出的时间内发电，还没有使该技术在商业上可行。例如，能量存储技术可延长电能的产生，但是这些方法已经被证明提供的容量有限(例如，蒸汽储蓄器)并且昂贵和/或在技术上挑战性(例如，熔融盐槽)。其它技术已经尝试过使用天然气来为在太阳能加热器中利用的工作流体提供补充加热。参见例如第6,739,136号美国专利。然而，这种已知的辅助加热系统到目前为止也没有成功克服前面提及的基础太阳能热转换过程的有限效率。据此，在现有技术中仍需要高效的、成本有效的系统和方法，用于在发电中利用太阳能加热。更具体地，目前仍需要这样的系统和方法，其提供的电能适合持续引入电网。
发明内容
本公开提供了一种以对于两个系统都可改进效率和降低成本的方式进行的系统整合。更尤其是，本公开提供了发电系统和方法与太阳能加热系统和方法的整合。具体地，该整合系统和方法可通过利用太阳能加热系统作为供电循环的补充或备选热源，提高了发电系统和方法中燃烧循环的效率。类似地，该整合系统和方法可展示出的效率相对于不具备该整合的太阳能加热的同一发电周期的效率有所提高。这样，该整合系统和方法可包括能够彼此独立操作的多个加热器，其可被交替地(例如轮流地)操作，或者可同时操作，以加热可被再循环穿过该系统的工作流体，该工作流体在此过程中被加热、膨胀以用于发电、冷却、可选地被净化(purify)、压缩，以及再次被加热。
本公开的整合的系统和方法可利用任何适当的发电系统和方法，该发电系统和方法包括再循环工作流体，并且可改变成与用于提供发电系统中使用的加热的至少一部分的太阳能加热整合起来。在第2011/0179799号美国专利公开中说明了在封闭的燃烧循环中绝大多数使用CO2发电的系统和方法，在此结合该公开的全部内容作为参考，并且在各种实施例中，在该出版物中所揭示的这些发电系统和方法的一个或多个组件或条件可被结合到本公开的发电系统和方法中。燃烧循环可使用压力比例较低的涡轮机，其使燃料在存在CO2工作流体流束(其一般至少部分地被再循环通过封闭系统)的情况下在氧气中燃烧形成的燃烧产物的混合物膨胀。在各种实施例中，诸如以上说明的CO2循环可被用在使用天然气、煤，或其它含碳材料作为燃料源的电力生产中。热涡轮机废气可被用于在节能热交换器中至少部分地预热再循环CO2工作流体流束。再循环CO2工作流体流束还可使用辅助热源(诸如源于被用于为燃烧提供氧气的O2生产设备的压缩能量的热量)来加热。燃料和燃烧产生的杂质(例如，硫化成分、CO2、H2O、灰、Hg等)可被分离出进行处理，从而不产生大气排放。该系统可产生高压CO2再循环流束(即，作为工作流体进行再循环)以及高压CO2产物流束(即，过量CO2，其没被再循环进入燃烧循环并可被捕捉使用，例如用于提高油回收，或用于隔离)。这可通过在压缩系统中对来自节能热交换器的冷却涡轮机废气流束进行压缩来实现，该压缩系统可以是多级压缩系统。
本公开提供了将封闭的循环发电系统和方法与CSP(或其它太阳能加热)系统和方法相整合的能力，以获得高效的发电系统，其能够在燃烧器或太阳能聚合器之间轮流对工作流体加热，或者能够同时利用燃烧加热和太阳能加热来加热再循环工作流体。这样的整合可提高例如封闭的CO2循环发电过程的效率，且完成大于50％、大于55％、大于60％、大于65％，或大于70％的碳的捕获。
在特定实施例中，本公开可提供发电的方法，例如，一种发电的方法，其可包括在存在氧气和CO2的主燃烧器中燃烧含碳燃料，以形成CO2再循环流束，并产生混合燃烧产物流束。该方法可进一步包括：使混合的燃烧产物流束通过涡轮机以发电，并形成包括超临界CO2的涡轮机废气流束；使包括超临界CO2的涡轮机废气流束通过燃烧产物热交换器，以将超临界CO2转换成包括气态CO2的流束，可选地将该气态CO2流束净化(purify)，将CO2流束加压以形成再循环CO2流束，使再循环CO2流束返回通过燃烧产物热交换器以形成再次加热的再循环CO2流束，使再加热的再循环CO2流束通过太阳能加热器，并将再循环CO2流束传送到燃烧器。该方法可包括使再加热的再循环CO2流束通过流量阀，由此再加热的再循环CO2流束可被分裂成被传送到燃烧器的第一部分和通过太阳能加热器的第二部分，或者由此再加热的再循环CO2流束可在通往燃烧器的通路或通往太阳能加热器的通路之间交替。而且，在一些实施例中，该方法可包括，在使再加热的再循环CO2流速去往主燃烧器之前，使来自太阳能加热器的流束通过补充燃烧加热器。
依据本公开的发电的方法可包括使来自主燃烧器的包含CO2的流束通过涡轮机以使包含CO2的流束膨胀、发电，并形成包括CO2的涡轮机废气流束。该方法可进一步包括通过太阳能加热器将来自涡轮机废气流束的CO2加热。再进一步地，该方法可包括将CO2从太阳能加热器传送到主燃烧器。在额外的实施例中，该方法可进一步包括将CO2从太阳能加热器传送到燃烧加热器，然后再传送到主加热器。同样地，该方法可进一步包括在换热器中使包括CO2的涡轮机废气流束冷却，以形成包含CO2的冷却的涡轮机废气流束。此后，该方法可包括在水分离器中将包含CO2的冷却的涡轮机废气流束净化以从冷却的涡轮机废气流束中形成包括干燥CO2的流束。来自冷却的涡轮机废气流束的干燥的CO2可被加压以形成加压的含CO2的流束，并且该加压的含CO2的流束在用太阳能加热器加热之前可在热交换器中被加热。
在一些实施例中，依据本公开的发电的方法可包括：使包含CO2的流束从主燃烧器通过涡轮机以使包含CO2的流束膨胀、发电，并形成包括CO2的涡轮机废气流束；在换热器中冷却包括CO2的涡轮机废气流束以形成冷却的涡轮机废气流束；将来自冷却的涡轮机废气流束的CO2加压以形成加压的含CO2的流束；在热交换器中将加压的含CO2的流束加热；通过太阳能加热器将加压的含CO2的流束加热；以及将被加压和太阳能加热的含CO2的流束传送到主燃烧器。进入涡轮机的含CO2的流束可处于约150bar(15Mpa)或更大的压力下，并可处于约500℃或更高的温度下。进入涡轮机的含CO2的流束的压力与包括CO2的涡轮机废气流束的压力之比可为约12或更低。
在各种实施例中，将含CO2的流束加压的步骤可包括使流束通过多个泵压级。而且，含CO2的流束可在两个泵压级之间被冷却。加压的含CO2的流束的一部分可在加压步骤之后且在通过太阳能加热器之前通过补充热量被加热。例如，这些补充热量可包括来自空气分离设备的压缩的热量。被加压的且被太阳能加热的包含CO2的流束可在进入主燃烧器之前从太阳能加热器通过燃烧加热器。
本方法可进一步包括在存在氧气和包含CO2的流束的主燃烧器中燃烧含碳燃料，使得通过涡轮机的加压的且太阳能加热的含CO2的流束进一步包括一个或多个燃烧产物。该方法还可包括使被冷却的涡轮机废气流束从热交换器通过分离器以将一种或多种燃烧产物与CO2分离。含碳燃料尤其可以是液体或气体。
在其它实施例中，含碳燃料可包括部分氧化的燃烧产物的流束。例如，该方法可进一步包括在存在O2和CO2的情况下在部分氧化燃烧器中燃烧固体燃料，固体燃料、O2和CO2以一定的比例提供，使得固体燃料仅部分被氧化以产生部分氧化的燃烧产物流束，其包括不可燃烧成分、CO2，和H2、CO、CH4、H2S以及NH4中的一种或多种。固体燃料、O2，以及CO2具体可按一定比例提供以使得部分氧化的燃烧产物流束的温度足够低，流束中全部不可燃烧的组份都处于固体颗粒的形式。本方法还可包括使得部分氧化的燃烧产物流束通过一个或多个滤波器。固体燃料尤其可包括煤、褐煤，或石油焦。而且，固体燃料可具有颗粒的形式并可与CO2被浆料化。
如果需要，可控制被供给主燃烧器的含碳燃料和氧气的量，使得在主燃烧器中燃烧的热量与可从太阳能加热器获得的用于加热通过太阳能加热器的加压的含CO2的流束的热量成反比。例如，来自太阳能加热器的可用热量可在单个太阳能循环中改变超过10％。这样，可控制供给燃烧器的含碳燃料和氧气的量，使得被传送到涡轮机的含CO2的流束的温度在单个太阳能循环中可改变小于10％。
本公开的方法还可包括将加压的含CO2的流束分裂成进一步的各种流束。例如，在一些实施例中，这些方法可包括在进入太阳能加热器之前将离开热交换器的加压的含CO2的流束分裂，使得加压的含CO2的流束的第一部分继续到达太阳能加热器，而加压的含CO2的流束的第二部分传送到主燃烧器，而不先通过太阳能燃烧器。在各种实施例中，太阳能加热器可将含CO2的流束加热至约500℃温度或更高。在其它实施例中，太阳能加热器可通过含CO2的流束被加热。
本公开进一步提供了发电系统。在一些实施例中，依据本公开的发电系统可包括以下部件：太阳能加热器、与该太阳能加热器流体连通的主燃烧器、与主燃烧器流体连通的发电涡轮机，与该发电涡轮机以及太阳能加热器流体连通的热交换器，以及与热交换器流体连通的至少一个压缩机。该系统还可包括被定位于太阳能加热器和主燃烧器之间并与其流体连通的燃烧加热器。而且，该系统可包括被定位于热交换器和至少一个压缩机之间并与该其流体连通的分离器。而且，该系统可包括空气分离设备。这样的空气分离设备尤其可以是深冷空气分离设备，其包括绝热的主压缩机和升压压缩机。在该系统中所使用的热交换器可包括一系列两个或多个热交换器单元。
在一些实施例中，本系统可包括部分氧化燃烧器，其具有与主燃烧器的入口流体连通的出口。该系统还可包括被定位在部分氧化燃烧器的出口和主燃烧器入口之间并与其流体连通的过滤器。在一些实施例中，该系统可包括被定位在热交换器的热端出口的下游并与其流体连通的分裂器，所述分裂器具有与部分氧化燃烧器流体连通的第一出口和与太阳能加热器流体连通的第二出口。在其它实施例中，该系统可包括被定位在热交换器的热端出口下游并与其流体连通的分裂器，所述分裂器具有与主燃烧器流体连通的第一出口，和与太阳能加热器流体连通的第二出口。在进一步的实施例中，该系统可包括被定位在热交换器的热端出口下游并与其流体连通的流量阀，所述流量阀具有与主燃烧器流体连通的第一出口，和与太阳能加热器流体连通的第二出口，所述流量阀适用于使流在太阳能加热器和主燃烧器之间交替。
本公开的发电方法的特征尤其在于：与发电的总体效率的关系。例如，可以较低加热值实现至少为60％的总体效率的发电。在其它实施例中，该效率可以是至少65％。因此，本揭示系统和方法满足了对通过捕捉和存储碳(CCS)进行发电的需求。然而通过常规发电系统实现CCS已经被证实是很困难并且/或者并不是成本高效的。本揭示方法利用封闭的循环燃烧可达到高效并且满足CCS的需求，并且同时全部以成本高效的方式实现。
附图说明
图1是示出依据本公开的一个实施例的发电系统和方法的流程图，其中太阳能加热器与燃烧器和涡轮机整合在一起；
图2是示出依据本公开的一个实施例的发电系统和方法的流程图，其中包括主燃烧器和太阳能加热器；
图3是示出依据本公开的进一步的实施例的发电系统和方法的流程图，其中除了主燃烧器以外还包括了部分氧化燃烧器；
图4是示出依据本公开的另一个实施例的发电系统和方法的流程图，其中包括分裂器以在太阳能加热器与主燃烧器之间分裂再循环CO2流束；
图5是示出依据本公开的又进一步的实施例的发电系统和方法的流程图，其中包括分裂器以将再循环CO2流束分裂成进入太阳能加热器、部分氧化燃烧器和主燃烧器的三个流束；
图6是示出依据本公开的再另一个实施例的发电系统和方法的流程图，其中包括两个定位流量阀以使再循环CO2流束在太阳能加热器和主燃烧器之间交替；
图7是示出依据本公开的又进一步的实施例的发电系统和方法的流程图，其中包括两个定位流量阀以在太阳能加热器和燃烧器流之间轮换再循环CO2流束，其继而在部分氧化燃烧与主氧化器之间被分裂；以及
图8是太阳能循环加热图，其示出在示例性单个太阳能循环期间由依据本公开特定实施例的系统的不同加热组件提供的相对加热。
具体实施方式
现在将通过参考各种实施例在下面更充分地说明本发明。提供这些实施例使得本公开将变得全面且完整，并且将向那些本领域技术人员充分传达本发明的范围。本发明可以不同的形式实现，并不应直译成限制于在此所阐述的实施例中；而是，可提供这些实施例使得本公开将符合可申请的法律要求。如在本说明书以及随附的权利要求书中所使用的，单数形式“一”、“一个”、“该”，包括复数形式的参考物，除非上下文作出相反的明确指示。
正如在前面已经提到的，第2011/0179799号美国专利公开说明了其中利用了CO2循环的发电系统和方法。在一些实施例中，CO2流通流体可以与含碳燃料(例如NG、煤、合成气、生物质(biomass)，等)和诸如空气或O2这样的氧化剂一起提供在适用于高温、高压条件的燃烧器中。这样的系统和方法可包括在高温(例如，约500℃或更高、约750℃或更高、约1000℃或更高，或者约1200℃或更高)下操作的燃烧器，并且流通流体的存在可起到中和(moderate)离开燃烧器的流体流束的温度的作用，使得该流体流束可被用在发电的能量传输中。在高温和高压下反应过程的特性，以及较高的再循环CO2浓度，可提供良好的处理效率和反应速度。燃烧产物流束可在至少一个涡轮机中膨胀从而生成功率。然后可使膨胀的气体流束冷却以从流束中除去燃烧副产品和/或杂质，并且从膨胀的气体流束中抽取的热量可被用于加热再循环回到燃烧器的CO2流通流体。
在冷却阶段，可对燃烧流束进行处理以便除去水分和其它杂质，从而提供基本上纯净的CO2流束，用于与燃烧材料再循环返回通过燃烧器。经过净化的CO2流束一般为气体状态，并且使流束经历必要的调节使得CO2为超临界状态是有益的。例如，在燃烧流束膨胀通过用于发电的涡轮机、被冷却，和被净化成包括基本纯净的CO2(例如，CO2占质量的至少95％、占质量的至少97％，或者占质量的至少99％)之后，生成的再循环CO2流束可被压缩以使其压力升高，例如升高至约80bar(8Mpa)。第二个压缩步骤可被用于使压力提高至接近燃烧器中的压力，例如，约200bar(20Mpa)、约250bar(25MPa)，或者约300bar(30MPa)。在压缩步骤之间，CO2流束可被冷却以提高流束密度，以便减少将流束泵压至较高压力所需的能量输入。然后最终加压的再循环CO2流束可进一步被加热并输入回到燃烧器中。
虽然以上所说明的发电系统和方法与常规发电系统和方法相比，提高了效率(并且在同时捕捉所产生的碳也是这样)。本公开的系统和方法可通过与聚合太阳能(CSP)系统结合进一步提高循环效率。该CSP系统可在可用太阳光充足的时间中提供对再循环CO2流束的加热，来代替在燃烧循环中使用燃烧器，或者该CSP系统可提供对再循环CO2流束的补充加热，以减少燃烧循环中燃烧器的燃料需求。
依据本公开的可用的CSP系统可包括适于充分聚合太阳能以实现对发电系统中的工作流体进行必要加热的任意太阳能集热器，诸如在本文中所说明的。优选地，可使用高温太阳能收集器。依据本公开可用于聚合太阳能的太阳能收集器系统的一个非限制性示例为抛物面槽，其中，可使用一系列弯曲的、带镜面的槽来将直接的太阳辐射反射到沿槽的长度蔓延并被定位在反射器焦点处的包含流体的收集器管道(也称为接收器、吸收器，或收集器)上。该槽沿一个轴为抛物线形，而在正交轴上是线性的。可每日和/或按季节来调整该槽的位置，以使太阳辐射收集最大化。吸收器流体可流至中央加热器。电力塔(也成为中央塔发电厂或定日镜发电厂)是另一个示例，可利用定日镜场将聚合阳光聚焦在收集器上，收集器一般位于场中央的塔顶。在这样的系统中，定日镜可被定位成垂直阵列(例如，盘状或抛物线配置)以聚集太阳能来加热塔上的收集器。菲涅尔(Fresnel)反射器是依据本公开可使用的可用太阳能聚合技术的进一步的示例。
在本公开的特定实施例中，CSP系统可包括太阳能聚合器和太阳能加热器。一般地，太阳能聚合器可包括如以上提及的用于聚拢和聚合太阳辐射的定日镜、反射镜、透镜等。太阳能加热器可包括适用于传递来自所收集和聚合的太阳辐射的热量和/或将热量转化成功的一个或多个组件。例如，天阳能加热器可包括吸热器，热量被存储在其中并且热量可从这里被传递至另一种材料或流体，诸如从此通过的包含CO2的流束。在其它实施例中，太阳能加热器可包括太阳能循环工作流体(例如，含CO2的流束、熔盐液等)。这样的工作流体可通过如上所提及的那样用于加热的收集器管道，或者可仅存在于太阳能加热器中以便通过收集的和聚合的太阳辐射进行加热(例如，在电力塔中)。太阳能加热器因此可包括用于将热量从太阳能循环工作流体传递至其它材料或流体，例如含CO2的流束，的热量传递组件。在这样的实施例中，术语太阳能加热器可涵盖以下这样的分立单元，太阳能循环工作流体通过该分立单元并且该分立单元适于以换热关系使含CO2的流束(作为示例)从此通过。术语太阳能加热器还可涵盖更昂贵的系统，由此太阳能循环工作流体可从集热部分通过到达传热部分，在此来自太阳能循环工作流体的热量可被传递到另一种材料或流体，正如已经说明的。
在各种实施例中，依据本公开的发电方法可包括使含CO2的流束从主燃烧器通过涡轮机以使含CO2的流束膨胀、发电(generate power)、并形成包含CO2的涡轮机废气流束。包括CO2的涡轮机废气流束可在换热器中被冷却，形成冷却的涡轮机废气流束。该方法可进一步包括将来自冷却的涡轮机废气流束的CO2加压，以形成加压的含CO2的流束，并且可在换热器中加热该流束。经再加热的加压含CO2的流束可通过太阳能加热器被进一步加热，例如使加压的含CO2的流束通过太阳能加热器，或可包括在加压的含CO2的流束与太阳能加热循环工作流体(例如，熔盐液或单独的CO2流束)之间进行热交换。进一步地，该方法可包括将经加压和太阳能加热的含CO2的流束传递到主燃烧器。
在图1的示图中示出了依据本公开的发电系统。如从其中可见的，该系统大体上包括太阳能加热器90，其与主燃烧器10流体连通，主燃烧器10继而与涡轮机20流体连通。在使用中，气体燃料流束7(或如本文中所讨论的其它燃料类型)与氧气流束5和含CO2的流束92一起被引入主燃烧器。燃料可与氧气一起在主燃烧器中燃烧，作为工作流体存在的CO2可再循环穿过封闭系统。可将包括CO2和任意的燃烧产物且被加压的燃烧器排出流束12传递到涡轮机，在该涡轮机中燃烧器排出流束膨胀发电，形成涡轮机废气流束22。根据涡轮机废气流束的性质，可进一步对其进行处理，例如除去可能存在的燃烧产物，例如水和/或过剩的CO2。因此，依据本公开的系统可包括在此另外说明的各种其他组件。来自被进一步处理的涡轮机废气流束的CO2可作为CO2再循环流束34被输入太阳能加热器90。太阳能加热器排出流束92因此可将CO2引导返回燃烧器，作为再循环工作流体。
在一些实施例中，燃烧器10可完全关闭，例如在峰值太阳能产热期间。在这种情况下，太阳能加热器排出流束92的热量可足够抵消对燃烧器燃烧的热量的需求。这样，循环流束可充分地不含有杂质，可进行连续的循环而不需要冷却和除去燃烧产物。因此，涡轮机废气流束22可被直接传递到太阳能加热器90并因此变成CO2再循环流束。在其它实施例中，涡轮机废气流束可通过一个或多个泵和/或压缩机(例如见图2)，以在涡轮机废气流束作为CO2再循环流束通过太阳能加热器之前对涡轮机废气流束加压。
虽然，如果希望，燃烧器10可在峰值太阳能生热期间被关闭，但是可能有利的是使所有部件连续工作地那样操作整合系统。在单个太阳能循环中，太阳能聚合器系统提供的加热可发生变化。在此使用时，单个太阳能循环旨在表示单个的一天24小时，其可从任意点开始测量，例如从午夜到午夜，或者从正午到正午。在阳光照射的时间中，太阳能加热将是可用的，并且一般在从日出到峰值日照时间是不断增强的，然后随着接近日落而减少。根据太阳能加热器的特性和太阳能热量存储的可用性，太阳能加热器产生的热量将在单个太阳能循环中增加和减少。这样，来自太阳能加热器的可用热量可在单个太阳能循环中变化例如5％或更多、10％或更多、20％或更多、30％或更多，或者50％或更多。在一些实施例中，在单个太阳能循环中可从太阳能加热器获得的热量可改变5％至75％、10％至70％，或者15％至60％。但是，经由目前所揭示的整合系统的连续操作，可保持恒定的涡轮机入口温度。
在峰值太阳能可用的时间中，太阳辐射可被聚合在太阳能加热器中以向循环通过系统达到涡轮机的CO2提供高达100％的所需热量。随着可用的太阳能减少，输入燃烧器的燃料和氧气的量可按照维持期望的涡轮机入口温度的需要而增加。当可用太阳能不足的期间，如果需要，该系统可单靠燃烧燃料来工作。本公开的系统和方法可进一步允许在峰值载荷期间使用燃烧燃料，并且如果条件允许可返回仅使用太阳能或主要使用太阳能的基础载荷操作。可对被提供给燃烧器的燃烧燃料和氧气的量进行控制，使得主燃烧器中的燃烧热量与可从太阳能加热器获得的用于加热从其中通过的含CO2的流束的热量成反比关系。正如以上所讨论的，这可以保证在涡轮机的进入点处维持基本恒定的温度。例如，可控制被供给燃烧器的含碳燃料和氧气的量，使得在单个太阳能循环中被传递到涡轮机的含CO2的流束的温度可改变小于2％。在其它实施例中，被传递到涡轮机的含CO2的流束的温度在单个太阳能循环中可改变少于5％、少于10％，或者少于15％。在进一步的实施例中，被传递到涡轮机的含CO2的流束的温度在单个太阳能循环中可改变约2％至约15％、约3％至约12％，或者约5％至约10％。
如以上所讨论的，依据本公开对系统的操作可由于若干个原因而具有优势。例如，这可以使操作方法简单些，因为在太阳能加热器和主燃烧器之间进行的复杂的转换循环可以被避免。此外，该燃烧系统和方法的效率可明显提高。例如，整合式系统中，总能量输出的约25％来自于太阳能(例如，每天有6个日照峰值小时)，并且其中燃烧循环具有独立效率(使用天然气燃料)约50％，然后在使用天然气燃料的整合式系统的给定24小时持续时间中平均效率可为约66％。
在图2中提供的流程图示出了本公开的系统和方法的特定实施例。关于该附图，气体燃料流束3在泵6中被泵压，形成加压气体燃料流束7，其被引入主燃烧器10。在一个示例中，气体燃料可以是天然气；但是，也可以是其它气体燃料，例如合成气。此外，可使用液体燃料。在图2所涵盖的这些实施例中，来自空气分离设备110的氧气流束5也被引入燃烧器。该空气分离设备可被用于从空气源1提供经纯化的(purified)氧气。例如，氧气流束可包括纯度为约95％摩尔或更高、约97％摩尔或更高，或者约99％摩尔或更高的氧气。在燃烧器中，燃料在存在CO2再循环流束的情况下与氧气燃烧形成燃烧器排出流束12，其在本实施例中包括CO2工作流体和任意燃烧产物，例如水和/或CO2。
主燃烧器可以是适于在所需温度和压力下燃烧的任意燃烧器，其包括但不限于蒸腾冷却燃烧器。被传递到燃烧器的CO2再循环流束可设置在约150bar(15MPa)或更高、约200bar(20MPa)或更高、约250bar(25MPa)或更高，或者约300bar(30MPa)或更高的压力下。在其它实施例中，压力可以是约150bar(15MPa)至约400bar(40MPa)、约200bar(20MPa)至约380bar(38MPa)，或者约250bar(25MPa)至约350bar(35MPa)。在主燃烧器中燃烧可在例如约500℃或更高、约600℃或更高，或者约700℃或更高的温度下进行。在其它实施例中，燃烧可在约500℃至约1800℃、约550℃至约1600℃，或者约600℃至约1200℃的温度下进行。在其它实施例中，如在本文中另外说明的那样可以使用更多的温度范围。在各种实施例中，在燃烧器排出流束12中的CO2可处于超临界状态。
包括CO2的燃烧器排出流束被传送到发电涡轮机20，其经由发电机25产生电能。该发电方法特征可在于涡轮机两端的压力比。燃烧器排出流束(进入涡轮机)的压力与包括CO2的涡轮机废气流束(离开涡轮机)的压力之比可为约12或更小、约10或更小，或者约8或更小。而且，压力之比可以是约4至约12、约5至约10，或者约6至约10。
离开涡轮机20的涡轮机废气流束22可通过经过热交换器30被冷却以降低其温度。这尤其可被用于从涡轮机废气流束分离任意杂质(例如燃烧产物)。换热器(在一些实施例中可以表示为燃烧产物换热器)可在一些实施例中为多级换热器或一系列两个或更多个，优选为三个，串联的换热单元。在这样的系列中，第一串联换热单元(从热端传至冷端)可在较高较宽的温度范围内传递热量，例如，从涡轮机出口温度至约150℃至约200℃的范围。第二串联换热单元可在中间较窄的温度范围内传递热量，例如从第一串联换热单元的离开温度至约80℃至约140℃的范围。第三串联换热单元可在较低温度范围内传递热量，例如在约20℃至约75℃的范围内。这样的范围也可应用于从串联的每一个换热单元的冷端传送到热端的流体。这样的串联可以是有益的，因为从串联换热单元的冷端传递到换热单元热端的CO2再循环流束的额外加热可在定义的点处被输入。例如，离开第三串联换热单元并进入第二串联换热单元的流束可被分裂，一部分可进入第二串联换热单元，同时另一部分通过外部源被加热，该外部源例如是从空气分离设备捕捉的压缩热量。较高的加热部分然后可与离开第二串联换热单元并进入第一串联换热单元的流束合并。这样的增加的热量可有益于将CO2再循环流束的温度带入相对于涡轮机废气流束温度的优选阈值内。具体地，CO2再循环流束可被加热至比涡轮机废气流束温度低50℃或更多、低40℃或更多，或者低30℃或更多的范围内。
离开换热器30的被冷却的涡轮机废气流束32优选地包括气体状态的CO2并可经过低温冷却器40(例如，水冷器)，其可用于将涡轮机废气流束冷却至接近环境温度。在特定实施例中，低温冷却器可将气体CO2流束冷却至约50℃或更低、约40℃或更低、或者约30℃或更低的温度。这样的系统组件尤其是可选的。低温输出流束42可被送入分离器50，该分离器在所示出的实施例中特定为水分离器。因此，水流束54从中被抽出，并且被干燥的CO2流束52离开分离器并可穿过一个或多个泵或压缩机。
正如所示出的，干燥的CO2流束52穿过泵60，其可被用于使干燥的CO2流束的压力升高至足以使得CO2处于超临界状态的压力。例如，该压力可被升高至约75bar(7.5Mpa)或更高，或者约80bar(8Mpa)或更高。由此产生的泵排放CO2流束62可在致密冷却器70中被进一步冷却，该致密冷却器可尤其被用于使超临界CO2的密度提高以降低将CO2流束压缩至可用于再循环至燃烧器10的压力的能量需求。流束尤其可被增加密度至约200kg/m3或更高、约400kg/m3或更高，约600kg/m3或更高，或者约800kg/m3或更高。致密冷却器排放CO2流束72然后可通过压缩机80，以将其压力提高至优选地在以上描述的与用于输入至燃烧器的CO2再循环流束有关的范围内。压缩的CO2排放流束82可被分裂或可整体返回至燃烧循环。有益地，如果需要，任何过剩的CO2(例如，由燃烧产生的CO2)都可被抽取出作为高压CO2管线流束84，即，在适于输入至管线的条件下。对于抽取出的CO2的任何期望的使用(例如提高油回收、隔离，等)都被涵盖在本公开中。
压缩CO2排放流束(再循环部分)86可被送回换热器30以将含CO2的流束加热至处于或接近涡轮机排放流束的温度。在特定实施例中，离开换热器的再循环CO2流束的温度可与涡轮机排放流束的温度仅相差约50℃或更少。如果需要，在通过热交换器之前或期间，可向含CO2的流束输入额外的加热。例如，源于在空气分离单元110中绝热压缩的热量可被添加至含CO2的流束。正如所示出的，高温传热流束112可从空气分离设备传送至换热单元(例如，到达进入换热器或进入多级换热器的一个或多个换热单元的流束)，并且低温传热流束114可从换热器传回空气分离设备。
离开换热器30的流束可被表示为CO2再循环流束。这样，CO2再循环流束34可处于适于输入燃烧器10的压力和/或温度下。在所示出的实施例中，CO2再循环流束首先被送入太阳能加热器90，其可以是单个单元也可以是CSP系统的组件，正如以上已经说明的。如图所示，太阳能射线222从太阳能聚合器220反射，并且聚合的太阳辐射224被收集在太阳能加热器中。通过太阳能加热器的CO2再循环流束可依据CSP系统的状态而发生改变或不变。如图所示，流体流束直接穿过太阳能加热器以直接从聚合系统重新获得热量。在其它实施例中，工作流体流束(即，再循环CO2流束)可与次工作流体(例如，太阳能循环工作流体)相互作用形成热交换关系。这样的次工作流体可循环通过太阳能聚合器系统以便加热，正如以上关于已知太阳能热收集器说明的那样。例如，在太阳能集热器系统中可结合熔盐工作流体，并且进入太阳能加热器的再循环CO2流束可从熔盐工作流体接收热量。
如上所述，在收集充足的太阳能期间，太阳能加热器可被加热至一定温度，其中从太阳能加热器通过的CO2再循环流束的温度被提高。在收集到的太阳能较少的时间，太阳能加热器可处于基本上与离开换热器的CO2再循环流束一样的温度，并且CO2再循环流束可既不被加热也不被冷却。在收集到的太阳能极少或没有的时间，该太阳能加热器的温度可由于CO2再循环流束从此经过而升高。这可能是有益的，因为太阳能加热器可被维持在基本恒定的温度下，例如，在太阳能加热器的峰值加热温度的约5％以内、约10％以内、约20％以内，或者约30％以内。在已知的太阳能聚合系统中，接收器一般在每个太阳能周期期间由非常热循环至非常冷。这种热循环对接收器提出了设计上的挑战，并且可能由于热应力日复一日地累积起来而导致接收器(即，太阳能加热器)失效，或者需要其设计在温度上受到限制，这限制了性能。在本公开所提及的实施例中，其中处于或接近系统操作温度的CO2流束稳定地流过接收器，可避免日常的温度循环。太阳能加热器因此可更加可靠并且可为更高的温度而建造，能够达到更高的效率。
有时，包括再循环CO2的太阳能加热器排出流束92可处于主燃烧器10所要求的输入温度以下的温度。因此，在一些实施例中，燃烧加热器100可被定位在太阳能加热器的输出和主燃烧器的输入之间。燃烧加热器可例如燃烧气体燃料流束7的一部分或分离燃料流束，以提供逐步提高CO2再循环流束的温度所需的低水平加热。燃烧加热器排出流束102因此可处于为了输入至主燃烧器而需要的温度下，并且可直接被传送进主燃烧器。正如将体会到的，燃烧加热器可以是可选的，并且，在其存在时，可仅在当太阳能加热器排出流束处于所需温度阈值以下时的非峰值太阳能发电时间段期间点燃。
如图2所示，本公开的整合式系统可包括可伸缩热屏蔽200。在非峰值太阳能发电时间段期间可采用该热屏蔽来抵抗太阳能加热器90的热损失，同时太阳能聚合器220提供的加热不足以维持太阳能加热器所需要的高温。该热屏蔽可包括有利于抵抗太阳能加热器的辐射性损失和/或提供反射性加热(即，将辐射性损失反射回太阳能加热器)的任意材料。该热屏蔽是可伸缩的，使得在峰值太阳能发电时间段中，所有可用的太阳能辐射都可被引导至太阳能加热器以使得热容量最大化。
依据本公开的系统和方法还可包括热量储存，以使得来自太阳能加热器的热输入最大化。在某些实施例中，太阳能加热器和相关联的聚合系统可仅提供本发电系统和方法所需的总热量的一部分。因此，其被用于维持恒定的、最少的燃烧流体流入主燃烧器中用于所需的必要的最小加热。但是，在一些实施例中，太阳能加热器极其相关联的聚合系统可提供超过了总体发电系统和方法的操作条件所需的加热的过剩加热。在这样的实施例中，所揭示的系统和方法可包括一个或多个热量储存组件，诸如加热的CO2储存器或加热的熔盐储存器。所储存的热量(例如，在CO2储存罐或熔盐储存罐中)然后可在非峰值太阳能加热时间段期间被取出，以进一步补充来自主燃烧器的加热并保存了在峰值太阳能加热时间段期间太阳能加热器所产生的过剩的热量。例如，基于约为2,063kWh/m2的美国西南部照射率进行的计算已经显示出，依据本公开的特定实施例的系统可在峰值太阳能加热时间段以100％太阳能导致的加热进行操作，并且输入该系统的总太阳能热量可接近系统容量的32.9％。
虽然本公开是参考图2中利用气体或液体燃料讨论的，但是该整合式系统和方法还可利用固体燃料，例如煤、褐煤、生物质、废料，和石油焦。在一些实施例中，可能有用的是包括用于固体燃料的预燃烧器，提供可在主燃烧器中燃烧的可燃烧产物的输出流束。在图3中示出了示例性实施例，其中，氧气流束5可被分裂，并且POX氧气流束354可与加压的特殊化的燃料浆332一起被输入部分氧化(POX)燃烧器360。为了制备这种浆料，固体燃料流束305(例如，煤)在磨粉机310中被研磨以提供特殊化的固体燃料流束312，其在由发电机321供电的混合器320中被浆料化。特殊化的固体燃料与从致密冷却器排放CO2流束72抽取出的CO2浆料部分74相结合，然后通过压缩机80加压。此时优选地为超临界的CO2与特殊化固体燃料混合以形成低压浆料332，其然后通过浆料泵330以提供加压的、特殊化的燃料浆料332，作为POX燃烧器的输入。进一步被输入至POX燃烧器的是CO2再循环流束POX部分38，其可例如经由分裂器35从CO2再循环流束34中获取。同样离开分裂器的是CO2再循环流束太阳能加热器部分36。
在POX燃烧器中的燃烧提供了POX燃烧流束362，其可包括各种组份。在特定实施例中，可按比例提供固体燃料、O2以及CO2，使得固体燃料的部分氧化产生燃烧流束，其包括不可燃烧组分、CO2，和H2、CO、CH4、H2S和NH3中的一种或多种。POX燃烧流束可通过过滤器370以除去例如灰质的所有不可燃烧组分。产生的过滤POX燃烧流束374可作为燃烧燃料被引入主燃烧器10，并基本上可仅包括气体和/或液体燃料材料。过滤的颗粒流束372可从过滤器中被抽取出以进行沉积。
结合以上公开，图3中所涵盖的实施例基本上包括参考图2所讨论的另外的系统组件，并且其中所使用的方法可以参考图2所讨论的方式执行。尤其是，燃烧器排出流束12可在涡轮机20中膨胀。涡轮机废气流束22可通过换热器30被冷却。如果需要，冷却的涡轮机废气流束可在低温冷却器40中进一步被冷却，并且低温输出流束42可在分离器50中被分离出任意的水分和其它杂质，作为杂质流束54。干燥的CO2流束52可在泵60中被加压，并且泵排放CO2流束62可在致密冷却器70中被冷却和增加密度。致密冷却器排放CO2流束可如前所述地被分裂成被引入混合器的分量74和在压缩机80中被压缩的剩余分量72。压缩的CO2排放CO2流束可被分裂。压缩的CO2排放流束(再循环分量)86可被送回至换热器，并且压缩的CO2排放流束(过滤分量)88可被送入过滤器370。管线的所有剩余高压CO2可如以上所讨论的被抽取出。离开换热器热端的CO2再循环流束34可如上所提及的在分裂器35处被分裂成如以上参考图3已经讨论的那样穿过该系统的各个分量。
返回图2，CO2再循环流束34可被配置成通过太阳能加热器90以及可选的燃烧加热器100，然后才进入主燃烧器10。在其它实施例中，例如在图3中，CO2再循环流束可被可选地分裂。虽然CO2流束被分裂以用于输入图3中的POX燃烧器，这样的分裂可被用于引导CO2流入该系统的其它组件。例如，如图4所见，离开换热器30的热端的CO2再循环流束可穿过燃烧再循环CO2分裂器135以形成两个排出流束。CO2再循环太阳能加热器分裂流束136可被引导穿过太阳能加热器90，并且CO2再循环主燃烧器分裂流束137可直接进入主燃烧器10。燃烧再循环CO2分裂器可以是例如简单的流分裂器，其可对进入的CO2再循环流束进行固定比例划分，或者可对进入的CO2再循环流束进行可变的划分。固定划分的范围以质量流为基础可从10:90太阳能加热器流比主燃烧器流至90:10的太阳能加热器流比主燃烧器流。其它固定比例的划分(太阳能加热器流比主燃烧器流)以质量流为基础可为20:80至80:20、30:70至70:30，或者40:60至60:40。在使用可变划分的实施例中，太阳能加热器和主燃烧器的流比率可基于太阳能加热器的产热状态而变化。例如，在峰值太阳能加热时间段，质量流的50％或更高、75％或更高、80％或更高，或者90％或更高可被引入太阳能加热器。在较低的太阳能加热时间段期间，质量流(例如，以上提及的相同质量流比率)的大部分可被引入主燃烧器。对于变流阀的自动控制也可被涵盖在内。具体地，太阳能加热器的热输出可被连续地或间歇地监控并与预定的CO2流量表进行比较。通过燃烧再循环CO2分裂器的CO2质量流可随着太阳能加热器的热量输出在太阳能循环中增加和减少而被自动调节。例如，随着来自太阳能加热器的可用热量增加，CO2质量流的百分比可被自动地且按比例地增加成CO2再循环太阳能加热器分支和减少成CO2再循环主燃烧器分支。随着来自太阳能加热器的可用热量增加，CO2质量流的百分比可被自动地且按比例地减少成CO2再循环太阳能加热器分支和增加成CO2再循环主燃烧器分支。因此，本公开的系统可包括计算控制元件，其包括适于测量来自太阳能加热器的可用热量并适于在需要调节CO2再循环流束的太阳能加热器流和主燃烧器流时打开和关闭流量阀的硬件和/或软件。
类似的对CO2再循环流束的分裂可在使用固体燃料和部分氧化燃烧器的实施例中提供。在图5中，例如，示出了与以上参考图3所讨论的基本相似的系统。图5中的实施例的不同点在于，分裂器35已经被重新定位并被配置成将CO2再循环流束34分裂成三个单独的流束。CO2再循环流束POX分量38再次直接通过POX燃烧器360。CO2再循环流束太阳能加热器分量36同样再次直接通过太阳能加热器90。专门的CO2再循环主燃烧器分量37现在被直接提供给主燃烧器10。如参考图5，图5中的分裂器可被配置成固定比例划分或可变比例划分。在一些实施例中，通过分裂器的CO2再循环流束流的主要部分(基于质量流量)可被引导至三个流束中的一个。换句话说，通过分裂器的CO2再循环流束流的主要部分(基于质量流量)可被引至POX燃烧器，或者通过分裂器的CO2再循环流束流的主要部分(基于质量流量)可被引至太阳能加热器，或者穿过分裂器的CO2再循环流束流的主要部分(基于质量流量)可被引至主燃烧器。
返回图2，如果需要，CO2再循环流束34可被交替地整体引至太阳能加热器90或主燃烧器10。例如，如图6所示，两个定位流量阀235可被定位在CO2再循环流束的线上。流量阀可被置于太阳能加热器位置处，使得CO2再循环流束的100％进入CO2再循环太阳能加热器回路236中的太阳能加热器90。这种配置可在峰值太阳能加热时刻期间被使用，使得所有CO2再循环流束在太阳能加热器中被加热。在这样的实施例中，燃烧加热器可尤其被省略，这是因为太阳能加热器排出流束92不需要被额外加热，并且太阳能加热器排出流束可直接进入主燃烧器。流量阀备选地可被放置在主燃烧器位置处，使得100％的CO2再循环流束进入在CO2再循环主燃烧器回路237中的主燃烧器10。这种配置可在太阳能加热器中提供的加热不足以将CO2再循环流束加热至进入主燃烧器所需的温度时的非峰值太阳能加热时刻期间被使用。然后CO2再循环流束的全部可在主燃烧器中被加热至所需温度。
两个定位流量阀的使用也可被用在其中在POX燃烧器中燃烧固体燃料然后在主燃烧器中燃烧部分氧化产物的实施例中。例如，如图7所见，两个定位流量阀235被定位在CO2再循环流束34的线上。流量阀可被放置在太阳能加热器的位置上，使得100％的CO2再循环流束传送到CO2再循环太阳能加热器回路236中的太阳能加热器90。这种配置可在峰值太阳能加热时间中使用，使得所有CO2再循环流束在太阳能加热器中被加热。在这样的实施例中，尤其不需要燃烧加热器，因为将不会需要对太阳能加热器排出流束92进行额外的加热，并且然后太阳能加热器排出流束可直接进入主燃烧器。流量阀可备选地被放置在合并的燃烧器位置，使得100％的CO2再循环流束传送到CO2再循环合并燃烧器回路239中的这两个燃烧器。该回路具体地可在燃烧再循环CO2分裂器135中分裂，其中再循环CO2的一部分可以CO2再循环流束POX分量38的形式被送入POX燃烧器360，并且再循环CO2的一部分可以CO2再循环主燃烧器分量37的形式被送入主燃烧器10。
正如从前面可见的，本公开的整合式系统和方法可尤其有利于利用来自CSP系统的所有可用的加热，改善燃烧发电系统和方法的效率。这在图8中被示出，其中相对加热来自利用天然气作为燃料的整合式系统和方法中的各种源。这样的加热源被映射到从午夜到午夜的示例性太阳能循环上。正如从中所见，在不是白天的时间中，主燃烧器被点燃使得主燃烧时间段401负责整合式系统中的大部分乃至全部加热。当日出开始时，主燃烧时间段可终止，(虽然可能发生更缓和的降低)同时太阳能加热时间段403增长。在随着接近于峰值太阳能输出太阳能加热增加的期间，燃烧加热器可被点燃以对加热进行补充，并且燃烧器加热时间段405可开始并逐渐缩短。随着峰值太阳能输出开始减小，燃烧器加热器时间段可再次开始增长直到太阳能加热足够低的点，使得主燃烧时间段开始并主导热量产生。在主燃烧器时间段期间，可实施热屏蔽的运用407以减少太阳能加热器的热损失。
在此阐述的本发明的许多变形和其它实施例将进入一个本领域技术人员的脑海中，对于他们来说有关这些发明有利于教导前述说明。应理解的是，本公开并不限于所揭示的具体实施例并且其变形和其它实施例意图被包括在随附的权利要求书的范围内。虽然在本文中采用了特定的术语，但是他们以广义的且说明性的语感被使用并不是为了限制的目的。

Claims (36)

1.一种发电方法，所述方法包括：
使来自主燃烧器的含CO2的流束通过涡轮机以使所述含CO2的流束膨胀、发电，并且形成包括CO2的涡轮机废气流束；
在换热器中冷却所述包括CO2的涡轮机废气流束以形成冷却的涡轮机废气流束；
将来自所述冷却的涡轮机废气流束的CO2加压以形成加压的含CO2的流束；
在所述换热器中加热所述加压的含CO2的流束；
进一步通过太阳能加热器加热所述加压的含CO2的流束；以及
将所述加压的且太阳能加热的含CO2的流束传送至所述主燃烧器。
2.如权利要求1所述的方法，其中，进入所述涡轮机的所述含CO2的流束处于约150bar(15MPa)或更高的压力下。
3.如权利要求1所述的方法，其中，进入所述涡轮机的所述含CO2的流束处于约500℃或更高的温度下。
4.如权利要求1所述的方法，其中，进入所述涡轮机的所述含CO2的流束的压力与所述包括CO2的涡轮机废气流束的压力之比为约12或更小。
5.如权利要求1所述的方法，其中，将所述含CO2的流束加压的步骤包括使所述流束通过多个加压级。
6.如权利要求5所述的方法，进一步包括在两个加压级之间冷却所述含CO2的流束。
7.如权利要求1所述的方法，其中，在所述加压步骤之后并且在被所述太阳能加热器加热之前，所述加压的含CO2的流束的一部分通过补充的热量被加热。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述补充的热量包括来自空气分离设备的压缩的热量。
9.如权利要求1所述的方法，进一步包括在将来自所述太阳能加热器的所述加压的且太阳能加热的含CO2的流束传送到所述主燃烧器之前，使该来自所述太阳能加热器的所述加压的且太阳能加热的含CO2的流束通过燃烧加热器。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括在主燃烧器中在存在氧气和所述含CO2的流束的条件下燃烧含碳燃料，使得通过所述涡轮机的所述加压且太阳能加热的含CO2的流束进一步包括一个或多个燃烧产物。
11.如权利要求10所述的方法，进一步包括在分离器中通过将一个或多个所述燃烧产物与所述CO2分离，来净化来自所述换热器的所述冷却的涡轮机废气流束。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述含碳燃料是液体或气体。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述燃料包括部分氧化的燃烧产物的流束。
14.如权利要求13所述的方法，进一步包括在部分氧化燃烧器中在存在O2和CO2的情况下燃烧固体燃料，所述固体燃料、O2和CO2按一定比例提供，使得所述固体燃料仅被部分氧化，以产生所述部分氧化的燃烧产物流束，其包括不可燃烧的组份、CO2以及H2、CO、CH4、H2S和NH3中的一个或多个。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述固体燃料、O2和CO2以一定比例提供，使得所述部分氧化的燃烧产物流束的温度足够低，所述流束中所有所述不可燃烧的组份具有固体颗粒的形式。
16.如权利要求14所述的方法，进一步包括使部分氧化的燃烧产物流束通过一个或多个过滤器。
17.如权利要求11所述的方法，其中，所述固体燃料包括煤、褐煤、生物质，或石油焦。
18.如权利要求17所述的方法，其中，所述固体燃料具有颗粒的形式并且与CO2被浆料化。
19.如权利要求10所述的方法，其中，控制被提供给所述主燃烧器的含碳燃料和氧气的量，使得在所述主燃烧器中燃烧的热量与可从所述太阳能加热器获得的用于加热通过所述太阳能加热器的所述加压的含CO2的流束的热量成反比关系。
20.如权利要求19所述的方法，其中，可从所述太阳能加热器获得的热量在单个太阳能循环中改变大于10％。
21.如权利要求20所述的方法，其中，控制被提供给所述燃烧器的所述含碳燃料和氧气的量，使得被传送至所述涡轮机的所述含CO2的流束的温度在所述单个太阳能循环中改变小于10％。
22.如权利要求1所述的方法，进一步包括在用所述太阳能加热器加热之前将离开所述换热器的所述加压的含CO2的流束分裂，使得所述加压的含CO2的流束的第一部分继续进入所述太阳能加热步骤，且所述加压的含CO2的流束的第二部分被传送至所述主燃烧器，而不首先由所述太阳能加热器加热。
23.如权利要求1所述的方法，其中，所述太阳能加热器将所述含CO2的流束加热至约500℃或更高的温度。
24.如权利要求1所述的方法，其中所述太阳能加热器被所述含CO2的流束加热。
25.如权利要求1所述的方法，其中，所述发电实现了至少60％的基于较低加热值的总体效率。
26.一种发电系统，包括：
太阳能加热器；
主燃烧器，其与所述太阳能加热器流体连通；
发电涡轮机，其与所述主燃烧器流体连通；
换热器，其与所述发电涡轮机和所述太阳能加热器流体连通；以及
至少一个压缩机，其与所述换热器流体连通。
27.如权利要求26所述的发电系统，进一步包括被定位在所述太阳能加热器和所述主燃烧器之间并与所述太阳能加热器和所述主燃烧器流体连通的燃烧加热器。
28.如权利要求26所述的发电系统，进一步包括被定位在所述换热器和所述至少一个压缩机之间并与所述换热器和所述至少一个压缩机流体连通的分离器。
29.如权利要求26所述的系统，进一步包括空气分离设备。
30.如权利要求29所述的系统，其中，所述空气分离设备为深冷空气分离设备，其包括绝热的主压缩机和增压压缩机。
31.如权利要求26所述的系统，其中，所述换热器包括一系列两个或更多个换热单元。
32.如权利要求26所述的系统，进一步包括部分氧化燃烧器，其具有与所述主燃烧器的入口流体连通的出口。
33.如权利要求32所述的系统，进一步包括被定位在所述部分氧化燃烧器的所述出口和所述主燃烧器的所述入口之间并与其流体连通的过滤器。
34.如权利要求32所述的系统，进一步包括被定位在所述换热器的热端出口下游并与该热端出口流体连通的分裂器，所述分裂器具有与所述部分氧化燃烧器流体连通的第一出口，和与所述太阳能加热器流体连通的第二出口。
35.如权利要求26所述的系统，进一步包括被定位在所述换热器的热端出口下游并与该热端出口流体连通的分裂器，所述分裂器具有与所述主燃烧器流体连通的第一出口，和与所述太阳能加热器流体连通的第二出口。
36.如权利要求26所述的系统，进一步包括流量阀，其被定位在所述换热器的热端出口的下游并与该热端出口流体连通，所述流量阀具有与所述主燃烧器流体连通的第一出口，和与所述太阳能加热器流体连通的第二出口，所述流量阀适于使流在所述太阳能加热器和所述主燃烧器之间交替。
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