CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)訊：目前，來自美國桑迪亞國家實驗室（SNL）的一個太陽能研究實驗室正在積極開發(fā)一種創(chuàng)新的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，即利用高溫鋁土礦顆粒作為傳儲熱介質(zhì)、與超臨界CO2光熱發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，旨在實現(xiàn)700℃以上的高工作溫度的同時將光熱發(fā)電成本降至5美分/kWh（約合人民幣0.32元/kWh）。

今年年初，桑迪亞實驗室的研究團隊獲得了美國能源部（DOE）撥付的約2500萬美元的資金支持，該筆資金將用于建造一座至少可儲存6小時熱能的1MW示范項目。

與常規(guī)光熱發(fā)電不同的是，該團隊將采用鋁土礦顆粒作為傳儲熱介質(zhì)，通過光熱發(fā)電系統(tǒng)將粒子加熱到遠超700℃的“超臨界”水平，以將太陽光轉(zhuǎn)化為熱能。然后，這些熱能可以被儲存起來，并用于為渦輪機提供動力，在白天或晚上的任何時間按需發(fā)電。

為何選擇高溫顆粒？

相比傳統(tǒng)蒸汽、導熱油和熔鹽等光熱電站用傳儲熱介質(zhì)，高溫顆粒非常便宜且與上述傳熱流體一樣耐用，并具有與熔鹽一樣優(yōu)秀的儲熱能力。

與傳統(tǒng)的液體儲熱技術(shù)一樣，基于高溫粒子的光熱發(fā)電系統(tǒng)也可以在數(shù)十年的日常循環(huán)中經(jīng)濟高效地儲存并釋放熱量。同時，憑借顆粒在更高溫度下的穩(wěn)定性，將可充分滿足未來電網(wǎng)接納更大規(guī)模間歇性可再生能源的長期儲能需求。

對于桑迪亞選擇的鋁土礦高溫顆粒，實驗室首席研究員Cliff Ho介紹道：“根據(jù)需要，你可以將熱量儲存在顆粒中幾天甚至幾周。而且，與目前常用的熔鹽介質(zhì)最高工作溫度不到600℃且容易高溫分解并存在低溫凝固風險不同的是，這些顆粒在高達1000°C的高溫下仍可保持穩(wěn)定?！?/p>

Cliff Ho進一步表示，選擇顆粒介質(zhì)將使用專用的下落粒子接收器，而采用該接收器的一大優(yōu)勢是可以不使用昂貴的金屬管狀接收器。

Cliff Ho表示，“我們實際上是將顆粒放入由耐火絕緣墻組成的空腔內(nèi)，如果需要更換，成本也很低。該接收器就是一個帶有開口的盒子，集中反射過來的陽光可以通過開口進入。如果由于各種原因使后壁或前孔過熱并損壞（在測試中已經(jīng)發(fā)生過類似情況），也很容易更換。而且，我們也無需對管道和儲罐進行保溫來防止儲熱介質(zhì)凝固、腐蝕或者泄露，也不需要使用昂貴的電加熱來防止夜間凝固。事實上儲存鋁土礦顆粒非常簡單，就像往糧倉中放糧食一樣讓它們落入儲罐中即可，換熱后再用工具把它們送回塔頂重新加熱循環(huán)使用?！?/p>

此外，據(jù)Cliff Ho介紹，高溫顆粒還有一大優(yōu)勢是它們是自絕緣的，而且熱導率非常低，預計實驗系統(tǒng)的顆粒儲熱系統(tǒng)一夜的溫度損失可以限制在1-2%，擴大至商業(yè)化規(guī)模，一夜可能僅會下降幾度而已。

可快速響應(yīng)太陽熱量變化

根據(jù)已進行的相關(guān)測試結(jié)果，桑迪亞研究團隊在所發(fā)表論文中介紹了如何通過控制粒子在接收器中的瞬時流量變化來應(yīng)對太陽能輻射的瞬時變化，從而保證系統(tǒng)的正常運行。

Cliff Ho表示：“在接收器上方有一個滑動門，可以控制顆粒從料斗流入接收器的數(shù)量。當進入接收器的太陽能輻射量高時，就可以加大粒子流量來吸收能量，從而將溫度升高到設(shè)計值。當云層飄過時，進入接收器的輻射量降低。這時我們可以逐漸關(guān)閉滑動門以減少顆粒流量。最終，雖然輻照強度減弱，但因為粒子流量也相應(yīng)變小，依然可以達到相同的出口溫度?！?/p>

此前三年中，桑迪亞研究團隊已對1MWt高溫顆粒接收器系統(tǒng)的集成設(shè)計進行了技術(shù)經(jīng)濟分析與建模，測算數(shù)據(jù)表明：即使在1到2米的小幅下落高度和介于1至7公斤每秒的墜落速度，太陽能直接輻照也可以非?？焖俚丶訜崃Ｗ樱⒖蓪崿F(xiàn)超過700°C的工作溫度。

有望十年內(nèi)實現(xiàn)商用

獲得DOE資助之后，桑迪亞研究團隊將進一步通過構(gòu)建一定規(guī)模的試驗系統(tǒng)并運行數(shù)千小時來證明設(shè)計的可行性，同時發(fā)現(xiàn)并修復長時間運行之后可能出現(xiàn)的問題，并最終解決該技術(shù)走向規(guī)?；南嚓P(guān)工程問題。據(jù)悉，試驗電站的吸熱塔將建在桑迪亞現(xiàn)有的試驗場，該場地現(xiàn)已建有6MWt太陽定日鏡場。

Cliff Ho表示：“通過該試驗系統(tǒng)，我們將進一步降低未來整體系統(tǒng)集成測試可能存在的一些關(guān)鍵領(lǐng)域的風險。當前最重要的是要將各個組成部分集成起來，包括在接收器中將顆粒加熱，然后儲存至容量至少為6MWh的儲罐中，然后通過換熱將熱量從顆粒中釋放并進行循環(huán)運行。我們將通過數(shù)千小時的運行與實際操作來證明技術(shù)的可行性，這也是我們最終的目標?！?/p>

Cliff Ho認為，上述以高溫顆粒作為傳儲熱介質(zhì)的新一代CSP技術(shù)有望在十年內(nèi)實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。他對此進一步說明，通過未來五年左右時間，研發(fā)團隊將使基于高溫顆粒的傳儲熱系統(tǒng)的運行風險充分降低；再通過五年左右時間，顆粒儲能系統(tǒng)就將可以與商業(yè)化超臨界CO2系統(tǒng)完成集成。

據(jù)悉，DOE還在積極支持另一研發(fā)團隊開發(fā)超臨界CO2動力系統(tǒng)并最終將使顆粒儲熱技術(shù)與超臨界CO2動力系統(tǒng)完成耦合。在超臨界CO2布雷頓循環(huán)中，CO2在臨界溫度31°C和壓力7.39 MPa(1,072 psi)的閉合回路中運行，可獲得更經(jīng)濟、更簡單和更高效的高溫動力系統(tǒng)。

Cliff Ho表示，當下人們強烈希望開發(fā)下一代電力循環(huán)系統(tǒng)。比如用于100兆瓦蒸汽動力循環(huán)的渦輪機很大，而同等規(guī)模的超臨界CO2動力系統(tǒng)渦輪機尺寸則要小得多。

Cliff Ho指出，即使未來超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)仍未發(fā)展成熟，桑迪亞團隊的高溫顆粒儲熱技術(shù)也可直接與常規(guī)光熱發(fā)電系統(tǒng)的蒸汽動力系統(tǒng)相匹配，雖然高溫顆粒的工作溫度可以高達1000℃，但在換熱時可以只將水蒸氣加熱到600℃左右，就像當前的熔鹽儲熱型光熱電站一樣。

深入了解該技術(shù)也可觀看如下視頻：