SkyFuel公司创始人谈光热发电传热介质的选择
来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 6669查看 | 2013-04-28 11:45:00    
  CSPPLAZA光热发电网报道:SkyFuel公司前CEO兼创始人Arnold Leitner日前撰文谈光热发电传热介质的选择和应用,其从温度、成本和效率三方面评估了当前主要应用的传热介质和面临的问题。

图:高温用导热油


  当前全球的商业化光热电站中有所应用的传热介质大致有三种:水、导热油、熔盐,这三种介质的应用明显不同。聚光太阳能集热器所能实现的温度范畴从环境温度到约1000摄氏度不等,根据不同的运行温度需求来选择合适的传热介质。

  水在持续增温增压时要经历一个相变过程:即从水到蒸汽的发生过程,水的临界温度为374.5摄氏度,即超过这一温度,水将全部以气态的方式存在,又称超临界水。使用水作为传热介质面临的主要问题就是系统压力过大,压力随温度的升高而升高,为了使水的温度保持在300摄氏度,压力需要达到87bar(相当于86个大气压),此时仅仅再使水温增加25摄氏度,相当于增加4%的绝对温度,就将使压力增加40%达到122bar,87bar的压力已经需要很厚的钢制管道壁,如果要得到550摄氏度的过热干蒸汽来驱动汽轮机发电,则需要达到的压力为160bar。这将需要建设足够厚的承压系统,会增加施工难度和投资。另外,槽式集热管中如果要保证高压力的水不对管壁造成破坏,需要增加管壁的厚度,厚度增加又会降低热量传导,影响其集热效率。储水容器也需要建设的足更大。 

  应用水作为传热介质问题都是高压和水的相变的问题。但重要的是,使用水作为传热介质和工作介质可以减少一道换热程序,降低了换热设备的投资,降低了热损,使整套系统更加简单。比如在一个槽式电站中,如果采用导热油作为传热介质,需要增加导热油和水的热交换工序,一般还需要配置预热器、蒸发器、过热器的三级蒸汽发生系统。

  为了避免用水做传热介质带来的高压和水的相变问题,光热电站此前的设计大多都采用导热油换热,如首诺公司的Theminol VP-1和陶氏化学的Dowtherm A都是应用广泛的导热油品牌。Theminol VP-1的使用温度上限为400摄氏度,其在高于400摄氏度的温度上将出现热裂解反应,生成易挥发及较低闪点的低聚物,低聚物间发生聚合反应生成不熔不溶的高聚物,不仅阻碍油品的流动,降低形同的热传导效率,同时会造成管道局部过热变形炸裂的可能。总的来看,导热油是一种好的传热介质,但由于温度的限定使应用导热油作传热介质的光热电站的效率难以更大程度地提高。

  在400摄氏度的温度下,光热发电系统的热电转换效率可达约37.5%,增加温度则可以更大程度上提高效率,这就需要进一步增加传热介质的工作温度,而在槽式光热电站中,增加集热管中的传热介质的温度需要设计更为优良和精密的集热器,这可能会带来成本的上升。

  CSP系统要达到更高的运行温度,必须寻找除水和导热油之外的传热介质,熔盐是一个方向。常用的熔盐是在230摄氏度的温度下将60%硝酸钠和40%硝酸钾混合熔化组成的新的结晶物,这种共晶混合物可以在最高600摄氏度的高温下保持热化学的稳定性,其可以被应用于槽式和塔式等多种类型的光热电站中,线聚焦的聚光倍数要远远低于点聚焦,因此其应用于塔式电站更容易达到高温工作状态。

  熔融态的熔盐类似于流动的红色的蜂蜜或流动的铁水,但需要在550摄氏度下才能达到这种状态,其粘度在此温度下为1.19毫帕斯卡·秒,约为50摄氏度的水的粘度的两倍,为400摄氏度下的Therminol VP-1导热油的粘度的10倍。

  定容状态下,Therminol VP-1和熔盐的比热容分别为2.62kJ/kg·℃和1.54kJ/kg·℃,其密度分别为696kg/m3(温度400摄氏度下)和1730kg/m3(温度550摄氏度下),熔盐的比热容比导热油要低40%,密度要高2.5倍,由于熔盐的粘度较高,在一个同样大小的集热管中,传递相同的热能,熔盐的流动速度更慢。

  水基本上可以视为是免费的,而导热油和熔盐都是有成本的,两者的价格与所采用的原材料的价格紧密相关,一桶原油被提炼成为Therminol VP-1或Dowtherm A导热油都会因汽油的价格波动而波动,如果汽油价格上涨,导热油价格自然上涨。归根结底是与原油价格相关,同样,熔盐的价格也会跟随农产品的化肥价格变动而变动。

  2013年3月,Therminol®导热油的价格约为1万美元/吨,而熔盐的到岸价(到达美国西海岸港口)仅825美元/吨。传热和储热介质的成本是光热电站总投资中较大的一部分,熔盐可以在作为传热介质的同时作为储热介质,这是唯一的一种在成本上可以与其它大规模储电技术对抗的储热技术。
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