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美國太陽能研究實驗室展示了一種創(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行，并具有穩(wěn)定的長期儲熱能力。

三個研究團隊參加了由美國能源部資助的為期三年的競賽，以開發(fā)下一代高溫CSP：具有長存儲時間；能夠?qū)⒊杀窘档椭?美分/每千瓦時；并且能在 700°C 下配合高溫布雷頓sCO2動力循環(huán)運行。

由桑迪亞領(lǐng)導的團隊贏得了2500萬美元的資助，使他們能夠建立一個更大規(guī)模的試驗電站，證明他們的設(shè)計符合美國能源部的成本和性能目標。


桑迪亞團隊的新穎之處在于它將以粒子而非液體的形式傳遞和儲存太陽的熱量。粒子技術(shù)標志著第三代CSP技術(shù)。第一代CSP項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”類型的接收器中旋轉(zhuǎn)，或者像桑迪亞團隊正在做的那樣落入敞開的接收器中。太陽能鏡場反射陽光并集中到塔頂?shù)慕邮掌魃?，然后加熱粒子將熱量轉(zhuǎn)移到儲罐和熱電轉(zhuǎn)換模塊，從而進行發(fā)電。
在之前三年里，桑迪亞對1MWt高溫顆粒接收器系統(tǒng)的集成設(shè)計進行了技術(shù)經(jīng)濟分析建模，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，直接輻照可以非常快速地加熱粒子，并且可以實現(xiàn)超過 700°C 的粒子溫度。

憑借該項資助，他們現(xiàn)在有機會通過構(gòu)建試驗電站系統(tǒng)來解決規(guī)?；罂赡艽嬖诘墓こ虇栴}，并運行數(shù)千小時來證明設(shè)計可行性，同時發(fā)現(xiàn)并修復長時間運行之后可能出現(xiàn)的問題。該試驗電站的吸熱塔將建在現(xiàn)有6兆瓦太陽能定日鏡場的桑迪亞試驗場。

“第3代顆粒試驗工廠的目標是進一步降低我們無法以綜合方式測試的一些關(guān)鍵領(lǐng)域的風險，”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，并將熱量儲存在具有至少 6 MWh容量的儲罐中，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)千小時測試的實際操作環(huán)境中證明這一點。這就是我們最終的目標。”

顆粒非常便宜并且與其他傳熱流體一樣耐用，同時高溫顆粒和熔鹽一樣具有優(yōu)秀的儲熱能力。與早期的液體儲熱技術(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)濟高效地儲存并釋放熱量。
但新技術(shù)有望比液體具有更多優(yōu)勢，因為它在更高的溫度下具有穩(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能需求。

高溫粒子是CSP的理想選擇？

桑迪亞團隊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電站可能會每晚釋放熱量發(fā)電以獲取收入。與熔鹽不同，粒子在高達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。它們在600°C左右時分解變得不穩(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，當過于集中的陽光在液體流經(jīng)的金屬管中產(chǎn)生熱點時，熔鹽系統(tǒng)中的接收器可能會燒毀。

“但是粒子接收器的一大優(yōu)勢是我們不使用昂貴的金屬管狀接收器，”Ho 指出，“我們實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帶有開口的盒子，集中的陽光可以通過它進入。如果由于各種原因使后壁或前孔過熱并損壞（我們在測試中已經(jīng)發(fā)生過這種情況），它可以很容易地更換。”

同樣，無需對管道和儲罐進行保溫以防止凍結(jié)、腐蝕和泄漏。儲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，它們就開始工作，因為粒子仍然很熱。粒子的美妙之處在于它們是自絕緣的，粒子的熱導率非常低。我們預計一夜之間的溫度損失可以限制在不到1%或2%。在大型存儲系統(tǒng)中，顆粒溫度可能會下降幾度。”

快速響應(yīng)太陽熱量變化

桑迪亞團隊已經(jīng)測試并發(fā)表了論文，這些論文描述了當這些粒子被陽光直接照射時，如何通過控制接收器中的瞬時流量變化來實現(xiàn)幾乎瞬時的溫度變化。

“在接收器上方，有一個滑動門，用于控制顆粒進料斗流入接收器的數(shù)量。當進入吸熱器的輻射量高時，就可以加大粒子流量來吸收能量，從而將溫度升高到設(shè)計點，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，進入吸熱器的輻射量降低。我們可以逐漸關(guān)閉滑動門以減少顆粒流量。所以，盡管輻照度變小，因為你的粒子流量也相應(yīng)變小，你依然可以達到相同的出口溫度。”


10年內(nèi)完成商業(yè)化

Ho認為，這種將熱能儲存在粒子中以進行長期能源調(diào)度的新一代CSP將在十年內(nèi)實現(xiàn)商用。

Ho說： “一旦在未來五年左右的時間里，我們讓基于粒子的系統(tǒng)降低風險并得到證明，到那個時候，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資助該項目旨在將新的CSP技術(shù)與另一個團隊同時開發(fā)的sCO2動力系統(tǒng)進行配對。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)運行，以獲得更經(jīng)濟、更簡單和更高效的高溫電力系統(tǒng)。核工業(yè)也對這種動力循環(huán)感興趣。

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

即使到時候這種sCO2循環(huán)還沒有商用，桑迪亞團隊的高溫CSP技術(shù)仍然可以與蒸汽動力系統(tǒng)匹配。 “盡管粒子可能達到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。” 

原標題：高溫粒子技術(shù)能否打開CSP新局面