作者：Alsagri Ali Sulaiman,Chiasson Andrew,Gadalla Mohamed.

題目：Viability Assessment of a Concentrated Solar Power Tower With a Supercritical CO?Brayton Cycle Power Plant[J].

期刊：Journal of Solar Energy Engineering,2019,141(5):

DOI:10.1115/1.4043515

全文導(dǎo)讀

本文對(duì)集成太陽(yáng)能塔式集熱裝置與超臨界CO?動(dòng)力循環(huán)集成的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。研究以超臨界CO?再壓縮循環(huán)為動(dòng)力單元，利用熔融硝酸鹽雙罐熱能儲(chǔ)存裝置對(duì)太陽(yáng)熱能進(jìn)行儲(chǔ)存，針對(duì)不同的儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)分析超臨界CO?太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，12小時(shí)高溫融鹽熱能儲(chǔ)存的經(jīng)濟(jì)性能最佳，其發(fā)電成本相比于無(wú)儲(chǔ)能時(shí)降低50%。

本研究的目的是，對(duì)驅(qū)動(dòng)超臨界CO?再壓縮布雷頓循環(huán)的太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置（CSP）進(jìn)行熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)分析。

本文的目標(biāo)是，評(píng)估白天超臨界CO?發(fā)電機(jī)組在中高溫太陽(yáng)能可用位置的系統(tǒng)可行性，并調(diào)查4、8、12和16小時(shí)蓄熱對(duì)增加太陽(yáng)能利用率和年發(fā)電量的作用。

本文以沙特阿拉伯（利雅得）的一座城市為例，給出了系統(tǒng)優(yōu)化與評(píng)估的案例。為了實(shí)現(xiàn)單位成本內(nèi)最高的能源產(chǎn)量，本文對(duì)定日鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)、超臨界CO?布雷頓循環(huán)和熔鹽儲(chǔ)能（TES）調(diào)度系統(tǒng)以及相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。

太陽(yáng)能熱塔式發(fā)電系統(tǒng)（SPT）是一種CSP系統(tǒng)，因?yàn)槠淇梢栽谙鄬?duì)較高的溫度下運(yùn)行。目前的SPT—TES場(chǎng)由定日鏡場(chǎng)、太陽(yáng)能塔、接收器、換熱器和兩個(gè)熔鹽TES罐組成。主要的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)是容量系數(shù)和平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）。

研究結(jié)果表明，采用超臨界CO?動(dòng)力循環(huán)的SPT-TES，使用熔融鹽進(jìn)行12小時(shí)的蓄熱，這在經(jīng)濟(jì)上是可行的。結(jié)果還表明，在最佳LCOE為$0.1078/kW h時(shí)，將12小時(shí)蓄熱裝置與一個(gè)SPT集成，對(duì)60%的容量因數(shù)有很大的積極影響。

圖：塔式太陽(yáng)能聚光集熱系統(tǒng)

結(jié)果討論

本研究的主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)綜合CSP模型，使用（SAM、工程方程求解器（EES）和SOLARPILOT）來(lái)研究具有超臨界CO?動(dòng)力循環(huán)的SPT電廠(chǎng)的可行性。該模型優(yōu)化了定日鏡場(chǎng)和TES調(diào)度，并預(yù)測(cè)了TES在不同運(yùn)行模式下全年連續(xù)運(yùn)行的年太陽(yáng)能場(chǎng)能量輸出。

首先，與非TES—CSP相比，SPT裝置（TES-CSP）中加入足夠的熔鹽蓄熱對(duì)裝置性能和經(jīng)濟(jì)性有著強(qiáng)烈的積極影響。此外，在蓄熱12小時(shí)的情況下，LCOE從0.209美元/千瓦時(shí)（非TES—CSP）降至0.1078美元/千瓦時(shí)（TES-CSP），降幅為50%。因此，CSP—TES是一種實(shí)用的方法，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的。

第二，在沙特阿拉伯利雅得，帶有超臨界CO?發(fā)電廠(chǎng)的CSP系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都是可行的，因?yàn)樗哂休^高的容量因數(shù)，并提供有競(jìng)爭(zhēng)力的LCOE。隨著接收器出口溫度限制的提高，CSP—超臨界CO?每千瓦時(shí)的價(jià)格預(yù)計(jì)將進(jìn)一步下降。SNL的一項(xiàng)研究預(yù)計(jì)，通過(guò)將硝酸鹽出口溫度限制提高到650°C，LCOE將減少8%。

第三，熔融鹽【60%硝酸鈉（NaNO?）+40%硝酸鉀（KNO?）】適合作為HTF、還原劑冷卻劑和蓄熱介質(zhì)，并具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益（即無(wú)毒、熱容高、成分穩(wěn)定）。但是，與熔鹽接觸的所有設(shè)備必須進(jìn)行微量加熱和隔熱，以避免鹽凍結(jié)（鹽在230°C下凍結(jié)）。

第四，定日鏡在資本成本中所占比例最高，約占系統(tǒng)總投資的50%，應(yīng)更多地關(guān)注定日鏡技術(shù)的改進(jìn)，以降低SPT裝置的成本。

根據(jù)動(dòng)力塊中的?分析，主加熱器的熱力損失最高，其次是LTR。另一方面，汽輪機(jī)和壓縮機(jī)的熱力損失最低。循環(huán)的高潛力改進(jìn)應(yīng)集中在熱交換器上，尤其是主加熱器和低溫回?zé)崞魃稀?/p>

此外，沙特阿拉伯的利雅得是塔式太陽(yáng)能電站的合適城市，因?yàn)樗峁┝岁P(guān)鍵的成功因素。首先，DNI相對(duì)較高（年平均約為7.65 kWh/m2/天），年平均風(fēng)速正常(約3米/秒）。

最后，向沙特阿拉伯社區(qū)引入太陽(yáng)能是“適應(yīng)新的2030年沙特愿景”的一部分，該愿景是經(jīng)濟(jì)多元化計(jì)劃的一部分，旨在促進(jìn)可再生能源使用以實(shí)現(xiàn)國(guó)家可持續(xù)性。（圖文：梁婭冉）