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美國太陽能研究實(shí)驗(yàn)室展示了一種創(chuàng)新的聚光太陽能 (CSP) 技術(shù)，該技術(shù)能夠在非常高的溫度下運(yùn)行，并具有穩(wěn)定的長期儲(chǔ)熱能力。

三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)參加了由美國能源部資助的為期三年的競(jìng)賽，以開發(fā)下一代高溫CSP：具有長存儲(chǔ)時(shí)間；能夠?qū)⒊杀窘档椭?美分/每千瓦時(shí)；并且能在 700°C 下配合高溫布雷頓sCO2動(dòng)力循環(huán)運(yùn)行。

由桑迪亞領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)贏得了2500萬美元的資助，使他們能夠建立一個(gè)更大規(guī)模的試驗(yàn)電站，證明他們的設(shè)計(jì)符合美國能源部的成本和性能目標(biāo)。


桑迪亞團(tuán)隊(duì)的新穎之處在于它將以粒子而非液體的形式傳遞和儲(chǔ)存太陽的熱量。粒子技術(shù)標(biāo)志著第三代CSP技術(shù)。第一代CSP項(xiàng)目具有基于液體的熱能傳輸，無論是在蒸汽、熱油還是熔鹽中，最高溫度約為600°C。

在全球范圍內(nèi)，包括桑迪亞在內(nèi)的太陽能工程師一直在開發(fā)一種利用太陽熱量的新方法。和之前技術(shù)不一樣，這些新技術(shù)使太陽能被吸收并儲(chǔ)存在粒子中，這些粒子以各種方式被太陽輻射加熱，例如在“水泥攪拌機(jī)”類型的接收器中旋轉(zhuǎn)，或者像桑迪亞團(tuán)隊(duì)正在做的那樣落入敞開的接收器中。太陽能鏡場(chǎng)反射陽光并集中到塔頂?shù)慕邮掌魃希缓蠹訜崃Ｗ訉崃哭D(zhuǎn)移到儲(chǔ)罐和熱電轉(zhuǎn)換模塊，從而進(jìn)行發(fā)電。
在之前三年里，桑迪亞對(duì)1MWt高溫顆粒接收器系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析建模，并表明即使在1到2米的小墜落高度和介于每秒1至7公斤的墜落速度，直接輻照可以非?？焖俚丶訜崃Ｗ?，并且可以實(shí)現(xiàn)超過 700°C 的粒子溫度。

憑借該項(xiàng)資助，他們現(xiàn)在有機(jī)會(huì)通過構(gòu)建試驗(yàn)電站系統(tǒng)來解決規(guī)?；罂赡艽嬖诘墓こ虇栴}，并運(yùn)行數(shù)千小時(shí)來證明設(shè)計(jì)可行性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)長時(shí)間運(yùn)行之后可能出現(xiàn)的問題。該試驗(yàn)電站的吸熱塔將建在現(xiàn)有6兆瓦太陽能定日鏡場(chǎng)的桑迪亞試驗(yàn)場(chǎng)。

“第3代顆粒試驗(yàn)工廠的目標(biāo)是進(jìn)一步降低我們無法以綜合方式測(cè)試的一些關(guān)鍵領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)，”桑迪亞太陽能熱研究首席研究員Cliff Ho說，“最重要的是整合一切，包括在接收器中加熱顆粒，并將熱量儲(chǔ)存在具有至少 6 MWh容量的儲(chǔ)罐中，然后從顆粒中取出熱量，然后將這些顆粒向上循環(huán)。因此，我們將在經(jīng)過數(shù)千小時(shí)測(cè)試的實(shí)際操作環(huán)境中證明這一點(diǎn)。這就是我們最終的目標(biāo)。”

顆粒非常便宜并且與其他傳熱流體一樣耐用，同時(shí)高溫顆粒和熔鹽一樣具有優(yōu)秀的儲(chǔ)熱能力。與早期的液體儲(chǔ)熱技術(shù)一樣，基于粒子的CSP可以在數(shù)十年的日常循環(huán)中經(jīng)濟(jì)高效地儲(chǔ)存并釋放熱量。
但新技術(shù)有望比液體具有更多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗诟叩臏囟认戮哂蟹€(wěn)定性，這將滿足未來電網(wǎng)接納80%以上間歇性可再生能源的長期儲(chǔ)能需求。

高溫粒子是CSP的理想選擇？

桑迪亞團(tuán)隊(duì)提出的顆粒是鋁土礦砂，廣泛用于石油工業(yè)。

“如果需要的話，你可以在這些粒子中儲(chǔ)存和保持熱量幾天，甚至幾周，”他說，但觀察到大多數(shù)CSP電站可能會(huì)每晚釋放熱量發(fā)電以獲取收入。與熔鹽不同，粒子在高達(dá)1000°C的高溫下保持穩(wěn)定，使它們能夠用于需要高溫的太陽能工業(yè)用熱過程。

“CSP工作溫度受熔融硝酸鹽溫度限制的控制。它們?cè)?00°C左右時(shí)分解變得不穩(wěn)定，因此通常只能加熱到 565°C。”他說。

還必須防止熔鹽在290°C下“凝結(jié)”成固體，因此它們的工作溫度范圍更窄。此外，當(dāng)過于集中的陽光在液體流經(jīng)的金屬管中產(chǎn)生熱點(diǎn)時(shí)，熔鹽系統(tǒng)中的接收器可能會(huì)燒毀。

“但是粒子接收器的一大優(yōu)勢(shì)是我們不使用昂貴的金屬管狀接收器，”Ho 指出，“我們實(shí)際上是將顆粒放入由耐火絕緣墻組成的空腔內(nèi)，如果需要更換，成本也很低。我們的接收器是一個(gè)帶有開口的盒子，集中的陽光可以通過它進(jìn)入。如果由于各種原因使后壁或前孔過熱并損壞（我們?cè)跍y(cè)試中已經(jīng)發(fā)生過這種情況），它可以很容易地更換。”

同樣，無需對(duì)管道和儲(chǔ)罐進(jìn)行保溫以防止凍結(jié)、腐蝕和泄漏。儲(chǔ)存這些鋁土礦顆粒很簡單，它們就像在糧倉中放糧食一樣簡單地落入儲(chǔ)罐中。將使用工業(yè)料斗將它們吊回塔頂，以便在接收器中重新加熱。同時(shí)也不需要昂貴的電加熱來防止夜間凍結(jié)。

他說：“早上一開機(jī)，它們就開始工作，因?yàn)榱Ｗ尤匀缓軣?。粒子的美妙之處在于它們是自絕緣的，粒子的熱導(dǎo)率非常低。我們預(yù)計(jì)一夜之間的溫度損失可以限制在不到1%或2%。在大型存儲(chǔ)系統(tǒng)中，顆粒溫度可能會(huì)下降幾度。”

快速響應(yīng)太陽熱量變化

桑迪亞團(tuán)隊(duì)已經(jīng)測(cè)試并發(fā)表了論文，這些論文描述了當(dāng)這些粒子被陽光直接照射時(shí)，如何通過控制接收器中的瞬時(shí)流量變化來實(shí)現(xiàn)幾乎瞬時(shí)的溫度變化。

“在接收器上方，有一個(gè)滑動(dòng)門，用于控制顆粒進(jìn)料斗流入接收器的數(shù)量。當(dāng)進(jìn)入吸熱器的輻射量高時(shí)，就可以加大粒子流量來吸收能量，從而將溫度升高到設(shè)計(jì)點(diǎn)，比如800°C，”他解釋說。

“現(xiàn)在，讓我們想象突然有一朵云經(jīng)過，進(jìn)入吸熱器的輻射量降低。我們可以逐漸關(guān)閉滑動(dòng)門以減少顆粒流量。所以，盡管輻照度變小，因?yàn)槟愕牧Ｗ恿髁恳蚕鄳?yīng)變小，你依然可以達(dá)到相同的出口溫度。”


10年內(nèi)完成商業(yè)化

Ho認(rèn)為，這種將熱能儲(chǔ)存在粒子中以進(jìn)行長期能源調(diào)度的新一代CSP將在十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商用。

Ho說： “一旦在未來五年左右的時(shí)間里，我們讓基于粒子的系統(tǒng)降低風(fēng)險(xiǎn)并得到證明，到那個(gè)時(shí)候，再過五到十年，它將可以與超臨界二氧化碳循環(huán)相結(jié)合。”

DOE資助該項(xiàng)目旨在將新的CSP技術(shù)與另一個(gè)團(tuán)隊(duì)同時(shí)開發(fā)的sCO2動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行配對(duì)。在sCO2布雷頓循環(huán)中，CO2在其31°C的臨界溫度之上和7.39 MPa (1,072 psi) 的壓力下在閉環(huán)內(nèi)運(yùn)行，以獲得更經(jīng)濟(jì)、更簡單和更高效的高溫電力系統(tǒng)。核工業(yè)也對(duì)這種動(dòng)力循環(huán)感興趣。

“我認(rèn)為人們強(qiáng)烈希望開發(fā)下一代電力循環(huán)系統(tǒng)，”他說，“用于100兆瓦蒸汽動(dòng)力循環(huán)的渦輪機(jī)很大，而同樣100 兆瓦的超臨界CO2渦輪機(jī)尺寸小得多。”

即使到時(shí)候這種sCO2循環(huán)還沒有商用，桑迪亞團(tuán)隊(duì)的高溫CSP技術(shù)仍然可以與蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)匹配。 “盡管粒子可能達(dá)到1000°C，但仍然可以使用粒子將蒸汽加熱到600°C左右，就像在傳統(tǒng)的熔鹽CSP電站中一樣。” 

原標(biāo)題：高溫粒子技術(shù)能否打開CSP新局面