高温颗粒+超临界CO2光热发电系统:旨在实现5美分/kWh的下一代CSP技术
发布者:admin | 来源:​CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 1238查看 | 2021-08-18 19:16:18    

CSPPLAZA光热发电网讯:目前,来自美国桑迪亚国家实验室(SNL)的一个太阳能研究实验室正在积极开发一种创新的太阳能热发电技术,即利用高温铝土矿颗粒作为传储热介质、与超临界CO2光热发电系统相结合,旨在实现700℃以上的高工作温度的同时将光热发电成本降至5美分/kWh(约合人民币0.32元/kWh)。


今年年初,桑迪亚实验室的研究团队获得了美国能源部(DOE)拨付的约2500万美元的资金支持,该笔资金将用于建造一座至少可储存6小时热能的1MW示范项目。


与常规光热发电不同的是,该团队将采用铝土矿颗粒作为传储热介质,通过光热发电系统将粒子加热到远超700℃的“超临界”水平,以将太阳光转化为热能。然后,这些热能可以被储存起来,并用于为涡轮机提供动力,在白天或晚上的任何时间按需发电。


为何选择高温颗粒?


相比传统蒸汽、导热油和熔盐等光热电站用传储热介质,高温颗粒非常便宜且与上述传热流体一样耐用,并具有与熔盐一样优秀的储热能力。


与传统的液体储热技术一样,基于高温粒子的光热发电系统也可以在数十年的日常循环中经济高效地储存并释放热量。同时,凭借颗粒在更高温度下的稳定性,将可充分满足未来电网接纳更大规模间歇性可再生能源的长期储能需求。


对于桑迪亚选择的铝土矿高温颗粒,实验室首席研究员Cliff Ho介绍道:“根据需要,你可以将热量储存在颗粒中几天甚至几周。而且,与目前常用的熔盐介质最高工作温度不到600℃且容易高温分解并存在低温凝固风险不同的是,这些颗粒在高达1000°C的高温下仍可保持稳定。”


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Cliff Ho进一步表示,选择颗粒介质将使用专用的下落粒子接收器,而采用该接收器的一大优势是可以不使用昂贵的金属管状接收器。


Cliff Ho表示,“我们实际上是将颗粒放入由耐火绝缘墙组成的空腔内,如果需要更换,成本也很低。该接收器就是一个带有开口的盒子,集中反射过来的阳光可以通过开口进入。如果由于各种原因使后壁或前孔过热并损坏(在测试中已经发生过类似情况),也很容易更换。而且,我们也无需对管道和储罐进行保温来防止储热介质凝固、腐蚀或者泄露,也不需要使用昂贵的电加热来防止夜间凝固。事实上储存铝土矿颗粒非常简单,就像往粮仓中放粮食一样让它们落入储罐中即可,换热后再用工具把它们送回塔顶重新加热循环使用。”


此外,据Cliff Ho介绍,高温颗粒还有一大优势是它们是自绝缘的,而且热导率非常低,预计实验系统的颗粒储热系统一夜的温度损失可以限制在1-2%,扩大至商业化规模,一夜可能仅会下降几度而已。


可快速响应太阳热量变化


根据已进行的相关测试结果,桑迪亚研究团队在所发表论文中介绍了如何通过控制粒子在接收器中的瞬时流量变化来应对太阳能辐射的瞬时变化,从而保证系统的正常运行。


Cliff Ho表示:“在接收器上方有一个滑动门,可以控制颗粒从料斗流入接收器的数量。当进入接收器的太阳能辐射量高时,就可以加大粒子流量来吸收能量,从而将温度升高到设计值。当云层飘过时,进入接收器的辐射量降低。这时我们可以逐渐关闭滑动门以减少颗粒流量。最终,虽然辐照强度减弱,但因为粒子流量也相应变小,依然可以达到相同的出口温度。”



此前三年中,桑迪亚研究团队已对1MWt高温颗粒接收器系统的集成设计进行了技术经济分析与建模,测算数据表明:即使在1到2米的小幅下落高度和介于1至7公斤每秒的坠落速度,太阳能直接辐照也可以非常快速地加热粒子,并可实现超过700°C的工作温度。


有望十年内实现商用


获得DOE资助之后,桑迪亚研究团队将进一步通过构建一定规模的试验系统并运行数千小时来证明设计的可行性,同时发现并修复长时间运行之后可能出现的问题,并最终解决该技术走向规模化的相关工程问题。据悉,试验电站的吸热塔将建在桑迪亚现有的试验场,该场地现已建有6MWt太阳定日镜场。


Cliff Ho表示:“通过该试验系统,我们将进一步降低未来整体系统集成测试可能存在的一些关键领域的风险。当前最重要的是要将各个组成部分集成起来,包括在接收器中将颗粒加热,然后储存至容量至少为6MWh的储罐中,然后通过换热将热量从颗粒中释放并进行循环运行。我们将通过数千小时的运行与实际操作来证明技术的可行性,这也是我们最终的目标。”


Cliff Ho认为,上述以高温颗粒作为传储热介质的新一代CSP技术有望在十年内实现商业化应用。他对此进一步说明,通过未来五年左右时间,研发团队将使基于高温颗粒的传储热系统的运行风险充分降低;再通过五年左右时间,颗粒储能系统就将可以与商业化超临界CO2系统完成集成。


据悉,DOE还在积极支持另一研发团队开发超临界CO2动力系统并最终将使颗粒储热技术与超临界CO2动力系统完成耦合。在超临界CO2布雷顿循环中,CO2在临界温度31°C和压力7.39 MPa(1,072 psi)的闭合回路中运行,可获得更经济、更简单和更高效的高温动力系统。


Cliff Ho表示,当下人们强烈希望开发下一代电力循环系统。比如用于100兆瓦蒸汽动力循环的涡轮机很大,而同等规模的超临界CO2动力系统涡轮机尺寸则要小得多。


Cliff Ho指出,即使未来超临界CO2循环系统仍未发展成熟,桑迪亚团队的高温颗粒储热技术也可直接与常规光热发电系统的蒸汽动力系统相匹配,虽然高温颗粒的工作温度可以高达1000℃,但在换热时可以只将水蒸气加热到600℃左右,就像当前的熔盐储热型光热电站一样。


深入了解该技术也可观看如下视频:


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