西班牙研发出综合性能更佳的新型相变储热系统
发布者：本网记者Alice | 来源：CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 6496查看 | 2015-01-07 18:36:00
CSPPLAZA光热发电网报道：近日，西班牙加泰罗尼亚的一个研究团队提出了一个全新的相变储热设计理念并据此开发出了新型储热系统的模型，经测试证明该储热系统的熔盐用量仅占传统储热系统的32%，而储热效率却可高达74%以上。
据悉，该西班牙研究团队首先开发出了一个新型的光热发电建模软件，然后开发出了这种全新的相变储热系统。该储热系统又被成为MLSPCM系统，采用了多层固态相变储热材料。
MLSPCM系统结合了潜热储热和显热储热两种能量存储技术，试图深度发掘储热系统在降低光热电站成本方面的潜力。
图：美国solana光热电站的熔盐储罐
首先，该系统使用了密封型的相变储热材料，可以通过相变来提高储热系统的效率，同时降低熔盐储热容器的体积。其次是温跃层，设置此层的目的是通过将廉价的填充材料如石英石和花岗岩等放入一个单独的储罐内来将热介质和凉介质进行分离，相比传统双罐熔盐储热系统进一步降低了费用。
在MLSPCM系统中，填充材料制成的两层薄薄的相变材料组成了像三明治一样的温跃层。通过这一设计可以使整个系统顶层输出口的温度处于最佳温度范围，据说可以达到550摄氏度。
与此同时，系统底层也可以保持在最佳的温度范围，大约在300摄氏度左右。这样就可以使整个系统在大大提高储热效率的同时明显降低了整个系统的总体积。
研究人员介绍，这种新型的储热系统设计可以延缓温跃层的退化，提高储热系统的热容，同时可以延长发电周期并可以提高储热系统输出温度的稳定性，而实现以上目标的同时成本却并不比传统温跃层储热系统高。
MLSPCM系统首次被公开介绍是在2013年的SolarPACES大会上，由加泰罗尼亚理工大学传热传质技术中心的团队公开的，但其在光热发电储热系统所表现出的优异性能直到一年后才被发现。
相变储热材料层
该研究团队在一篇论文中描述道：“这个新型储热系统概念的关键在于组成相变储热材料层的填充物，它们的熔融温度与整个系统储热与放热时的温度变化范围非常吻合。”
这种新型储热系统是在开发一个叫做LTES（潜热储存）软件时被意外发现的，该软件将由加泰罗尼亚大学附属公司TermoFluids于2015年进行商业化发布。
LTES和STES（显热储存）软件是专门为熔盐储热系统提供建模的软件，它们的开发工作目前正在以一个工作包的形式通过名为Tesconsol的项目进行开发。Tesconsol项目是一个联合开发项目，参与方有瑞典皇家理工学院、道达尔（Total）石油公司、加泰罗尼亚理工大学、西班牙天然气公司和西班牙Tecnalia研究院。
利用这两个软件可以使研发人员在虚拟条件下模拟不同类型储热系统的性能曲线，几乎可以达到完全仿真的效果。
加泰罗尼亚大学 Carlos-David Pérez-Segarra教授表示：“接下来，我们团队将深入分析该种储热系统的流体动力学问题、传热问题以及张力和变形等机械方面的问题。事实上，我们对于将其利用到太阳能领域特别是光热发电方面非常感兴趣。很重要的一点是：我们可以研发出先进的仿真代码，它们可以忠实地再现特定条件下的实际情况。”
据了解，LTES和STES软件可以将光热发电储热罐内部的实际运行情况通过已经验证的可靠的计算公式完整地描述出来。谈到STES软件，Perez-Segarra表示：“目前这些仿真代码都已经通过了试验验证。”
除了可以帮助研发出新型的储热系统，这些软件还可以帮助研发人员大大提高现有储热系统的效率。例如，这两个软件可以提示人们哪些热损是可以避免的，而且它们的功能还不仅仅局限于此。
安全性和可靠性
在某些情况下，它们还可以用来帮助提高整个储热系统的安全性和可靠性。例如，在SolarPACES2014年会议专门介绍该软件的一篇论文中提到，该研究团队利用LTES软件解决了传统储热系统温跃层中被称为热棘轮效应的难题。
目前，在需要反复加热和制冷循环的容器底部塞满填充材料已经逐渐成为一种趋势。
虽然这些填充材料会给予容器壁一定的压力，但加泰罗尼亚大学研究团队表示他们可以利用LTES软件来预测出罐壁所会受到的最大应力。目前他们已将该储热系统仿真技术应用到了位于内华达Boulder的由Acciona公司负责开发的Solar One光热电站的储热系统设计中。
Pérez-Segarra表示：“你可以在不同工作条件下利用不同的储热系统配置进行仿真测试，也就是说你可以把你想测试的任何工况条件下各种参数输入来进行储热效率的仿真模拟试验，比如不同材料的储罐、不同的传热介质、不同的运行温度和介质不同的粘度等等。”
值得一提的是，Tesconsol项目是目前获得欧洲创新技术学院下属KIC InnoEnergy机构（可持续能源知识与创新机构）资金支持的唯一一个光热发电项目。KIC InnoEnergy是一个利用公众基金支持具有巨大潜力的初创型公司的私营机构。
KIC InnoEnergy西班牙伊比利亚分部的总经理Mikel Lasa表示：“已经进行了4年多的Tesconsol项目可以为储热系统提供最佳的优化工具。”
据本网之前发布的报道，除LTES和STES软件之外，Tesconsol项目还在开发一款名为DYESOPT的软件，其将可以帮助光热电站开发商和运维商找到通过优化设计和运行实现电站利润最大化的最佳方案。研发人员认为使用这种优化系统可以将该电站的最佳内部收益率从5%~10%提高到23%~24%左右。据了解，DYESOPT的软件将通过一段时间的使用来不断改善其适用性，与LTES和STES软件一样，该软件预计也将在2015年投入商业化应用。
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