NREL与Acciona开发出新型氢传感与提取技术,攻克槽式光热电站氢累积难题
发布者:lzx | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 1115查看 | 2020-10-20 09:26:23    

CSPPLAZA光热发电网讯:据外媒报道,目前NREL(美国国家可再生能源实验室)和Acciona Solar Power正在开发一种新技术,通过集成的氢传感器/分离模块来逆转太阳能光热电站吸热器领域中氢积累的高成本效应,从而实现长期提高太阳能光热电站效率和收益的目标。


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自上世纪80年代中期以来,人们开始利用太阳能热发电生产的清洁能源为家庭、学校、办公室和社区供电。然而,目前普遍开发的槽式光热电站面临的一个持续挑战是氢气的积累,这对于减轻和降低光热电站效率而言可能是昂贵的。NREL高级科学家Greg Glatzmaier一直致力于花费大量时间来寻求解决氢积累的技术方案。


槽式光热电站多年遭受氢气累积的困扰


采用槽式技术路线的太阳能光热电站中,集热管沿弯曲的聚光镜运行,以吸收太阳的能量。在操作过程中,将热量从槽式集热器输送到蒸汽轮机的有机基介质,会遭受很小但恒定的热击穿。尽管产生的氢气微乎其微,但会产生严重的影响——造成热损失,可能使整个光热电站的效率和收益降低15%。全世界有80多个槽式光热电站在运营,这估计会导致750兆瓦的发电能力损失和每年约2.5亿美元的收入损失。


而不可避免地,所有槽式光热电站的设备都会遭受氢气堆积的困扰。


要开发出解决这一棘手问题的有效解决方案,就需要Glatzmaier具备的所有侦查技能:敏锐的观察力、光热电站运营的实践知识、以及计算建模专业知识。多年来,几种有前途的解决方案要么测试失败,要么仅提供5-7年的修复。这对于使用寿命至少为30年的光热电站来说,远远不够。一旦单个吸热器的效率下降,更换也是非常昂贵。氢积累这个隐患问题,藏在众目睽睽之下。


因此,Glatzmaier在能源部太阳能技术办公室的支持和资金支持下,与Acciona Solar Power合作开发了系统缓解过程,该过程可永久控制吸热器中的氢气,以扩展或恢复原始光热电站的效率和收益。


Glatzmaier说:“对我来说,为光热发电技术和行业创造一些实用的用途和价值一直是我的优先考虑。”


侦查技巧为解决方案指明了方向


在寻找解决方案时,Glatzmaier与其他研究人员一起在莫哈韦沙漠光热电站中,上下推动反向镜支架,拍摄吸热器的红外图像,以监视真空集热管中玻璃套管的温度。吸热器设计为在140°F(华氏度,相当于60℃)的玻璃表面温度下运行。然而,红外图像测量的某些吸热器的玻璃表面温度为284°F(140℃)至320°F(160℃)。玻璃套管的绝缘体以某种方式受到损害,并且发生了热损失。


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研究人员了解到,传热介质会释放出氢气,氢气会通过钢管泄漏,而氢气是良好的热导体。这三个条件都存在于吸热器中,而意外的是高玻璃表面温度提供了第一个线索。研究人员确定了热量损失的原因,但事实证明,比起设计一种解决方案,找出氢积累问题要容易得多。


Glatzmaie是一位敏锐的观察员,对操作员了解光热电站的工作原理非常了解。当他考虑不同的解决方案时,他意识到如果要去除氢气,则必须在一个位置进行。他熟悉光热电站的布置方式,功能以及传热介质的循环方式;他考虑了哪些设备需要接触到传热介质。他将注意力集中在容纳所有未循环的传热介质的膨胀罐上。


设计原型的基本要点


在能源部太阳能技术办公室和光热电站开发商Acciona Solar Power的支持下,Glatzmaie在5年的合作中开发了自己的分步解决方案。


他首先建立了一个计算模型,以确定维持循环传热介质中可接受的氢浓度所需的氢提取速率。


接下来,他开发了一种氢气传感器,可以每隔一到两分钟进行一次气体浓度测量。准确实时地测量氢气的量至关重要,但是现有的传感器要求将样品发送到实验室进行分析。


第三项任务是开发一种从膨胀罐顶部空间气体中提取氢气的简单方法。使用钯膜分离出氢气,然后将其通过真空泵提取到催化氧化剂中,以水蒸气形式排放。


最后的任务是将氢感测和提取结合起来,并将其集成到一个物理原型中,该原型可以用作光热电站规模模块的模型。


原型被制造出来,NREL的实验室评估证明了其成功解决氢积累问题的能力,从而为构建和测试现场模块扫清了道路。


集成式氢气传感器/分离器模块为光热电站带来了新生命


据了解,在Acciona的内华达州Solar One光热电站设计并安装了一个完整的集成式氢传感器/分离器模块,正在进行的评估表明:已按设计成功运行。该模块远远超出了防止新吸热器将来效率下降的范围。它通过将氢气从玻璃套管中抽出来,逐步清洁现有的受污染吸热器,并将其恢复到原来的运行效率。


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图:工人在内华达Solar One光热电站现场安装氢传感器与提取装置


内华达Solar One光热电站,仅用了两个月就收回了50万美元的投资。与现场使用寿命中更换退化的太阳能吸热器将近2,000万美元的成本相比,集成的氢传感器/分离器模块不仅便宜,还可以改变游戏规则。另外,安装过程中不会对工厂的发电量造成任何昂贵的中断,从而提高了该技术对注重成本的光热电站操作人员的吸引力。


集成的氢气传感器/分离器模块是将技术从NREL转移到工业领域实际应用的绝佳案例。正如Glatzmaier指出的那样:“对我来说,研发的产品能够一直运行是一个目标,并且这项技术具有明显的效率和经济利益。”


为了确保在内华达Solar One光热电站实际运行中得到的教训,和能带来更广泛的好处,NREL正在探索在其他光热电站安装集成式氢气传感器和分离器模块的机会。

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