空气介质光热发电技术示范先行 商业化之路坎坷前行
发布者：本网记者Courtney | 来源：CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 6740查看 | 2017-08-21 17:34:00
CSPPLAZA光热发电网报道：光热发电技术经历了水、导热油、熔盐为介质的迭代升级。当前，槽式技术的首选导热介质为导热油，塔式技术的主流则为熔盐。
光热发电技术发展几十年来，目前停留在以熔盐为代表的第二代技术的商业化应用层面。但要进一步降低光热发电成本，必须加快对空气、二氧化碳、颗粒、液态金属等为介质的新一代技术的研发和商业化应用。
空气作为传热介质具有成本低、运行温度高、系统效率高等优点。早在上世纪70年代，采用热空气作为传热介质的理念便风行一时，但由于当时难以解决换热、储热问题，相关研究一度陷入搁置状态。
澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO、德国DLR、德国Kraftanlagen Munchen Gmbh（KAM）等单位通过对空气介质的光热发电系统进行的一系列研究试验证明：空气作为传热介质，其运行温度可达650℃以上，远高于目前市场上平均运行温度为565℃的熔融盐和约400℃的导热油，具有商业化的应用潜力。
但热空气一直未得到商业化应用，直接原因在于研究的不连续和缺少较大规模示范电站的实证，而根本原因在于热空气换热能力不佳、储热难度大等弊端。由于空气热容小，传热能力差，散热造成温度快速下降，热空气的高温难以维持。除此之外，热空气的高温存储也是技术难点之一。
CSIRO的积极努力
光热发电领域对热空气的应用可分为两类：压缩热空气与常压热空气。压缩热空气通常应用于配置布雷顿循环系统的光热电站，而常压热空气则被应用于配备朗肯循环汽轮机发电系统的光热电站。如CSIRO在澳大利亚建设的示范电站即基于布雷顿循环，而此前中国的三花集团采用的以色列HelioFocus的技术即基于朗肯循环。
图：CSIRO澳大利亚塔式示范电站
据澳大利亚CSIRO公布的数据，该组织目前已完成了输出温度达900℃的空气吸热器的试验。该试验吸热器热功率为600kW，压强为5bar，输入温度为450℃，输出温度为900℃，表面能流达60~70kW/㎡，吸热器表面温度可控制在950℃以下，采光能流达700kW/㎡，吸热效率达86%。
CSPPLAZA记者从CSIRO太阳能光热中心负责人Jin-Soo Kim博士处了解到，该研究机构的另一个90kW空气吸热器应用了LBE（一种固体颗粒）储热，在解决热空气储热问题上迈进了一大步。在试验中，在吸热器输出温度为886℃的条件下，LBE输入温度490℃，输出温度可达771℃。
使用热空气作为传热介质的吸热器常采用孔隙状陶瓷质吸热器，该材料优点在于耐高温、允许空气流通、吸热效率高。目前空气吸热器方面最新研究成果几乎都出自CSIRO，而CSIRO也对CSPPLAZA记者表示，希望能在中国应用以上经过试验阶段验证的空气吸热器，进行更大规模的技术验证，为未来的商业化应用积累更多数据。
图：Jülich光热示范电站
Jülich电站的示范
德国DLR于2008年在德国西北部的Jülich建成的光热示范电站采用热空气作为传热介质。这个1.5MW的Jülich高温空气集热光热示范项目主要由四个部分组成：吸热系统、换热系统、储热模块、冷却系统。其中安装的一个新型空气吸热器由KAM供应。
超过2000块定日镜将阳光集中到蜂巢状、孔隙结构的陶质开放式吸热器上。这种开放的孔隙结构使得空气能自由流通，并使热量能深入到吸热器内部，加热位于内部的空气，使得换热更加均匀。
该吸热器表面温度可达1000℃以上，空气输入温度180℃，输出温度约680℃。高温热空气换热后产生水蒸气，带动汽轮机发电。水蒸气经过冷却系统后回收到蒸汽发生器中，同时热空气温度下降到180℃左右，经由空气循环回收至吸热塔。
这个1.5MW的Jülich光热示范项目采用固态储热，可将发电时间延长一倍。储热时，热空气从固态储热模块的顶部进入，通过大量蜂巢状陶制结构完成换热，之后从储热设施底部回到空气循环系统中，放热时空气的流通方向则相反。由于储放热都在常压状态下进行，储热装置并不需要造价高昂的耐高压外壁。
HelioFocus的失败
虽然有多家机构在致力于空气介质光热发电技术的研发应用，但这种创新型技术的商业化应用之路看起来并不好走。致力于空气介质光热发电技术商业化之路的以色列HelioFocus在推动数年之后，目前已几乎销声匿迹。
Heliofocus成立于2007年，其碟式光热发电系统主要包括聚光碟、接收器以及热力管路。聚光温度高达1000摄氏度，每个碟的面积大约500平方米，把太阳能反射到一个能产生高温空气的腔式接收器上，随后将高温空气传至一个中央热交换器中以产生蒸汽，蒸汽驱动汽轮发电机发电。
图：三花内蒙古1MW示范电站
2010年，中国的三花集团首次投资了Heliofocus，此后通过多轮增资持股超过30%。并开始在中国布局光热项目的开发。
2013年10月29日，三花绿色太阳城项目一期1MW空气介质碟式光热示范电站在内蒙古阿拉善经济开发区建成，在落成仪式上，三花控股子公司内蒙古太清光热能源有限公司还与HelioFocus公司共同签署了200MW光热辅助火力发电项目的合作备忘录，基本确定了项目后续的建设计划
但在该项目的实际验证之后，后续更大的项目规划并未获得实施。三花于2016年终止了与HelioFocus公司的合作，三花控股集团总裁张亚波在2016年10月举办的集团科技创新大会上公开表示，三花对以色列太阳能光热发电系统的投资和开发未能实现预定技术和经济目标，果断决定中止投入，结束该项目。
此后至今，HelioFocus在中国和全球市场逐渐淡去身影。
HelioFocus的失败案例证明，空气介质光热发电技术的商业化之路绝非坦途，要打开其商业化应用之门尚需努力。
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