SkyFuel公司創(chuàng)始人談光熱發(fā)電傳熱介質(zhì)的選擇
來源:CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng) | 0評論 | 9223查看 | 2013-04-28 11:45:00    
  CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道:SkyFuel公司前CEO兼創(chuàng)始人Arnold Leitner日前撰文談光熱發(fā)電傳熱介質(zhì)的選擇和應用,其從溫度、成本和效率三方面評估了當前主要應用的傳熱介質(zhì)和面臨的問題。

圖:高溫用導熱油


  當前全球的商業(yè)化光熱電站中有所應用的傳熱介質(zhì)大致有三種:水、導熱油、熔鹽,這三種介質(zhì)的應用明顯不同。聚光太陽能集熱器所能實現(xiàn)的溫度范疇從環(huán)境溫度到約1000攝氏度不等,根據(jù)不同的運行溫度需求來選擇合適的傳熱介質(zhì)。

  水在持續(xù)增溫增壓時要經(jīng)歷一個相變過程:即從水到蒸汽的發(fā)生過程,水的臨界溫度為374.5攝氏度,即超過這一溫度,水將全部以氣態(tài)的方式存在,又稱超臨界水。使用水作為傳熱介質(zhì)面臨的主要問題就是系統(tǒng)壓力過大,壓力隨溫度的升高而升高,為了使水的溫度保持在300攝氏度,壓力需要達到87bar(相當于86個大氣壓),此時僅僅再使水溫增加25攝氏度,相當于增加4%的絕對溫度,就將使壓力增加40%達到122bar,87bar的壓力已經(jīng)需要很厚的鋼制管道壁,如果要得到550攝氏度的過熱干蒸汽來驅(qū)動汽輪機發(fā)電,則需要達到的壓力為160bar。這將需要建設足夠厚的承壓系統(tǒng),會增加施工難度和投資。另外,槽式集熱管中如果要保證高壓力的水不對管壁造成破壞,需要增加管壁的厚度,厚度增加又會降低熱量傳導,影響其集熱效率。儲水容器也需要建設的足更大。 

  應用水作為傳熱介質(zhì)問題都是高壓和水的相變的問題。但重要的是,使用水作為傳熱介質(zhì)和工作介質(zhì)可以減少一道換熱程序,降低了換熱設備的投資,降低了熱損,使整套系統(tǒng)更加簡單。比如在一個槽式電站中,如果采用導熱油作為傳熱介質(zhì),需要增加導熱油和水的熱交換工序,一般還需要配置預熱器、蒸發(fā)器、過熱器的三級蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

  為了避免用水做傳熱介質(zhì)帶來的高壓和水的相變問題,光熱電站此前的設計大多都采用導熱油換熱,如首諾公司的Theminol VP-1和陶氏化學的Dowtherm A都是應用廣泛的導熱油品牌。Theminol VP-1的使用溫度上限為400攝氏度,其在高于400攝氏度的溫度上將出現(xiàn)熱裂解反應,生成易揮發(fā)及較低閃點的低聚物,低聚物間發(fā)生聚合反應生成不熔不溶的高聚物,不僅阻礙油品的流動,降低形同的熱傳導效率,同時會造成管道局部過熱變形炸裂的可能??偟膩砜?,導熱油是一種好的傳熱介質(zhì),但由于溫度的限定使應用導熱油作傳熱介質(zhì)的光熱電站的效率難以更大程度地提高。

  在400攝氏度的溫度下,光熱發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率可達約37.5%,增加溫度則可以更大程度上提高效率,這就需要進一步增加傳熱介質(zhì)的工作溫度,而在槽式光熱電站中,增加集熱管中的傳熱介質(zhì)的溫度需要設計更為優(yōu)良和精密的集熱器,這可能會帶來成本的上升。

  CSP系統(tǒng)要達到更高的運行溫度,必須尋找除水和導熱油之外的傳熱介質(zhì),熔鹽是一個方向。常用的熔鹽是在230攝氏度的溫度下將60%硝酸鈉和40%硝酸鉀混合熔化組成的新的結(jié)晶物,這種共晶混合物可以在最高600攝氏度的高溫下保持熱化學的穩(wěn)定性,其可以被應用于槽式和塔式等多種類型的光熱電站中,線聚焦的聚光倍數(shù)要遠遠低于點聚焦,因此其應用于塔式電站更容易達到高溫工作狀態(tài)。

  熔融態(tài)的熔鹽類似于流動的紅色的蜂蜜或流動的鐵水,但需要在550攝氏度下才能達到這種狀態(tài),其粘度在此溫度下為1.19毫帕斯卡·秒,約為50攝氏度的水的粘度的兩倍,為400攝氏度下的Therminol VP-1導熱油的粘度的10倍。

  定容狀態(tài)下,Therminol VP-1和熔鹽的比熱容分別為2.62kJ/kg·℃和1.54kJ/kg·℃,其密度分別為696kg/m3(溫度400攝氏度下)和1730kg/m3(溫度550攝氏度下),熔鹽的比熱容比導熱油要低40%,密度要高2.5倍,由于熔鹽的粘度較高,在一個同樣大小的集熱管中,傳遞相同的熱能,熔鹽的流動速度更慢。

  水基本上可以視為是免費的,而導熱油和熔鹽都是有成本的,兩者的價格與所采用的原材料的價格緊密相關(guān),一桶原油被提煉成為Therminol VP-1或Dowtherm A導熱油都會因汽油的價格波動而波動,如果汽油價格上漲,導熱油價格自然上漲。歸根結(jié)底是與原油價格相關(guān),同樣,熔鹽的價格也會跟隨農(nóng)產(chǎn)品的化肥價格變動而變動。

  2013年3月,Therminol?導熱油的價格約為1萬美元/噸,而熔鹽的到岸價(到達美國西海岸港口)僅825美元/噸。傳熱和儲熱介質(zhì)的成本是光熱電站總投資中較大的一部分,熔鹽可以在作為傳熱介質(zhì)的同時作為儲熱介質(zhì),這是唯一的一種在成本上可以與其它大規(guī)模儲電技術(shù)對抗的儲熱技術(shù)。
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