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CSPPLAZA光熱發電網訊：目前，來自美(mei)國桑迪亞國家(jia)實驗(yan)室(shi)（SNL）的(de)(de)一個太陽能(neng)研究實驗(yan)室(shi)正(zheng)在積極開發一種創(chuang)新的(de)(de)太陽能(neng)熱發電(dian)(dian)技(ji)術，即(ji)利用高溫鋁土礦(kuang)顆(ke)粒作(zuo)為傳儲(chu)熱介質(zhi)、與超(chao)臨(lin)界(jie)CO2光熱發電(dian)(dian)系統(tong)相(xiang)結合，旨在實現700℃以上的(de)(de)高工(gong)作(zuo)溫度的(de)(de)同時將光熱發電(dian)(dian)成(cheng)本降至5美(mei)分/kWh（約合人民(min)幣0.32元/kWh）。

今年年初(chu)，桑迪亞實(shi)驗室的研究(jiu)團隊獲得(de)了美國能源部（DOE）撥付的約2500萬(wan)美元的資金(jin)支持，該筆資金(jin)將用(yong)于建造一座至(zhi)少可儲存6小時熱(re)能的1MW示(shi)范(fan)項目(mu)。

與常規光(guang)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)不同的是，該團隊將(jiang)采用鋁土礦(kuang)顆粒作為傳(chuan)儲熱(re)介質，通過光(guang)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)系統將(jiang)粒子加熱(re)到遠超(chao)(chao)700℃的“超(chao)(chao)臨界(jie)”水平(ping)，以將(jiang)太陽光(guang)轉化(hua)為熱(re)能(neng)(neng)。然后，這些熱(re)能(neng)(neng)可以被儲存起來，并用于為渦輪(lun)機提供(gong)動(dong)力(li)，在白天或(huo)晚上的任何時(shi)間按(an)需發(fa)(fa)電(dian)(dian)。

為何選擇高溫顆粒？

相(xiang)比傳統蒸汽、導(dao)熱油和(he)熔(rong)鹽等光熱電站用傳儲(chu)熱介質，高溫顆粒非常(chang)便宜且與上述傳熱流體一(yi)(yi)樣耐用，并具有與熔(rong)鹽一(yi)(yi)樣優秀的儲(chu)熱能力。

與傳統的(de)(de)液體(ti)儲熱(re)技術(shu)一樣，基(ji)于高溫(wen)粒子的(de)(de)光(guang)熱(re)發(fa)電系統也可以在(zai)數(shu)十年的(de)(de)日常循環中(zhong)經濟高效地儲存并釋放(fang)熱(re)量。同時，憑借(jie)顆粒在(zai)更(geng)高溫(wen)度(du)下的(de)(de)穩定性，將可充分滿足未來電網接納更(geng)大規模間歇性可再生能(neng)源的(de)(de)長期儲能(neng)需求(qiu)。

對于桑迪亞選擇的鋁土(tu)礦高(gao)溫顆粒，實驗室首席研究員Cliff Ho介(jie)紹道(dao)：“根(gen)據需要，你可(ke)以將熱量(liang)儲存在顆粒中幾天甚至幾周。而且，與(yu)目前常用的熔(rong)鹽(yan)介(jie)質最高(gao)工作溫度不到600℃且容易(yi)高(gao)溫分解并存在低溫凝固風(feng)險不同的是(shi)，這些顆粒在高(gao)達1000°C的高(gao)溫下仍可(ke)保持穩定。”

Cliff Ho進一步表示，選擇顆粒介質(zhi)將(jiang)使(shi)用專用的(de)(de)下落粒子接(jie)收器，而采用該接(jie)收器的(de)(de)一大優(you)勢是可以不使(shi)用昂貴的(de)(de)金屬管狀接(jie)收器。

Cliff Ho表(biao)示，“我(wo)們實(shi)(shi)際(ji)上(shang)是將(jiang)顆粒(li)放入由耐(nai)火絕緣墻組成的(de)空腔內，如(ru)果需(xu)要更(geng)換(huan)(huan)，成本也很低。該接收器就是一個(ge)帶有開(kai)口(kou)的(de)盒子，集中(zhong)反(fan)射(she)過(guo)來(lai)的(de)陽光(guang)可(ke)以通過(guo)開(kai)口(kou)進入。如(ru)果由于(yu)各種(zhong)原因使(shi)(shi)后壁或前孔過(guo)熱(re)并損壞（在(zai)測試中(zhong)已經(jing)發生過(guo)類似情況），也很容易更(geng)換(huan)(huan)。而且，我(wo)們也無(wu)需(xu)對管(guan)道(dao)和儲罐進行保溫來(lai)防(fang)止儲熱(re)介(jie)質凝固、腐蝕或者泄(xie)露(lu)，也不需(xu)要使(shi)(shi)用(yong)(yong)昂貴的(de)電加熱(re)來(lai)防(fang)止夜間凝固。事實(shi)(shi)上(shang)儲存(cun)鋁土礦顆粒(li)非常(chang)簡單(dan)，就像往糧(liang)倉(cang)中(zhong)放糧(liang)食一樣(yang)讓它們落入儲罐中(zhong)即可(ke)，換(huan)(huan)熱(re)后再用(yong)(yong)工具把(ba)它們送回塔(ta)頂重新(xin)加熱(re)循環(huan)使(shi)(shi)用(yong)(yong)。”

此外(wai)，據Cliff Ho介紹，高溫顆粒還(huan)有(you)一大(da)優勢是它們是自絕(jue)緣的，而(er)且熱(re)導(dao)率非常低，預計實驗系統的顆粒儲(chu)熱(re)系統一夜的溫度損失(shi)可(ke)以限制在(zai)1-2%，擴大(da)至商(shang)業化規模，一夜可(ke)能僅會下降幾度而(er)已。

可快速響應太陽熱量變化

根據(ju)已進行的相關測試(shi)結(jie)果(guo)，桑(sang)迪亞研究團隊在所發表論文中介紹了如何(he)通過(guo)控(kong)制粒(li)子在接收(shou)器中的瞬時流量變化來(lai)應對太(tai)陽能輻射的瞬時變化，從而(er)保證系(xi)統(tong)的正常運行。

Cliff Ho表示(shi)：“在接(jie)(jie)收器上(shang)方有(you)一個滑(hua)動門，可以(yi)(yi)控制顆粒(li)(li)從料斗流(liu)(liu)入接(jie)(jie)收器的數量(liang)。當進入接(jie)(jie)收器的太(tai)陽能輻(fu)(fu)(fu)射(she)量(liang)高時(shi)，就可以(yi)(yi)加大粒(li)(li)子(zi)流(liu)(liu)量(liang)來(lai)吸收能量(liang)，從而將溫度(du)(du)升高到設計值。當云層飄過時(shi)，進入接(jie)(jie)收器的輻(fu)(fu)(fu)射(she)量(liang)降(jiang)低。這時(shi)我們(men)可以(yi)(yi)逐漸關閉滑(hua)動門以(yi)(yi)減少(shao)顆粒(li)(li)流(liu)(liu)量(liang)。最終，雖然輻(fu)(fu)(fu)照強度(du)(du)減弱，但因為粒(li)(li)子(zi)流(liu)(liu)量(liang)也(ye)相(xiang)應(ying)變(bian)小(xiao)，依然可以(yi)(yi)達到相(xiang)同(tong)的出(chu)口溫度(du)(du)。”

此前三年中，桑(sang)迪亞研究(jiu)團(tuan)隊已對(dui)1MWt高溫顆粒(li)接收器系統的集(ji)成設(she)計進行了技術(shu)經(jing)濟分析與建模，測(ce)算數據(ju)表(biao)明(ming)：即使在1到2米的小幅(fu)下落(luo)(luo)高度和介于1至7公斤每秒的墜落(luo)(luo)速度，太(tai)陽能直(zhi)接輻照也(ye)可以非常快速地加熱粒(li)子，并(bing)可實現超(chao)過700°C的工作溫度。

有望十年內實現商用

獲得DOE資(zi)助(zhu)之后，桑(sang)迪(di)(di)亞研究(jiu)團隊將(jiang)進一步通過構建(jian)一定(ding)規(gui)模的(de)(de)試(shi)驗(yan)系統并運行數千小(xiao)時來證(zheng)明設計的(de)(de)可行性，同(tong)時發現并修復長(chang)時間運行之后可能出現的(de)(de)問(wen)題(ti)，并最終解決(jue)該技術走(zou)向(xiang)規(gui)模化(hua)的(de)(de)相關工程問(wen)題(ti)。據(ju)悉，試(shi)驗(yan)電(dian)站的(de)(de)吸熱(re)塔(ta)將(jiang)建(jian)在桑(sang)迪(di)(di)亞現有的(de)(de)試(shi)驗(yan)場，該場地現已建(jian)有6MWt太陽(yang)定(ding)日(ri)鏡場。

Cliff Ho表示：“通過(guo)(guo)該試驗(yan)系統(tong)，我(wo)(wo)們(men)將(jiang)(jiang)(jiang)進一步降低未來整體系統(tong)集(ji)成測試可(ke)能存(cun)在的(de)一些關鍵領(ling)域的(de)風險。當前最(zui)重要(yao)的(de)是(shi)要(yao)將(jiang)(jiang)(jiang)各(ge)個組成部分(fen)集(ji)成起來，包括在接(jie)收器中將(jiang)(jiang)(jiang)顆(ke)粒加(jia)熱，然后儲存(cun)至容(rong)量至少為6MWh的(de)儲罐(guan)中，然后通過(guo)(guo)換熱將(jiang)(jiang)(jiang)熱量從顆(ke)粒中釋放(fang)并進行(xing)循環(huan)運行(xing)。我(wo)(wo)們(men)將(jiang)(jiang)(jiang)通過(guo)(guo)數千小時的(de)運行(xing)與實際操作來證明技術的(de)可(ke)行(xing)性，這(zhe)也(ye)是(shi)我(wo)(wo)們(men)最(zui)終(zhong)的(de)目(mu)標。”

Cliff Ho認為，上述以高(gao)溫顆(ke)粒(li)作(zuo)為傳儲(chu)熱介質(zhi)的(de)(de)新一代CSP技術有(you)望在十年(nian)內(nei)實(shi)現商(shang)業化應用(yong)。他對(dui)此進一步說明，通過未來(lai)五(wu)年(nian)左右時間，研發團隊(dui)將使基于高(gao)溫顆(ke)粒(li)的(de)(de)傳儲(chu)熱系(xi)統的(de)(de)運行(xing)風險充(chong)分(fen)降低；再通過五(wu)年(nian)左右時間，顆(ke)粒(li)儲(chu)能系(xi)統就(jiu)將可以與(yu)商(shang)業化超(chao)臨界CO2系(xi)統完成集成。

據悉，DOE還在積極支(zhi)持另(ling)一研發團隊開(kai)發超臨界CO2動(dong)力系統并最終將使顆粒儲熱技術與(yu)超臨界CO2動(dong)力系統完成耦(ou)合。在超臨界CO2布雷頓(dun)循環(huan)中(zhong)，CO2在臨界溫度(du)31°C和(he)壓力7.39 MPa(1,072 psi)的(de)閉合回(hui)路中(zhong)運(yun)行(xing)，可獲(huo)得(de)更經濟(ji)、更簡單和(he)更高效的(de)高溫動(dong)力系統。

Cliff Ho表示，當下(xia)人們強烈希望開(kai)發下(xia)一代電力循環系統。比如用于100兆瓦蒸汽動力循環的(de)渦(wo)輪(lun)機(ji)很(hen)大，而(er)同等規模的(de)超臨界CO2動力系統渦(wo)輪(lun)機(ji)尺寸則要小得多。

Cliff Ho指出，即使未來超臨界CO2循環系統仍未發(fa)展成熟(shu)，桑迪亞(ya)團隊的高(gao)溫顆粒(li)儲熱(re)(re)技術也可(ke)直接與常(chang)規光熱(re)(re)發(fa)電(dian)系統的蒸(zheng)汽動力系統相匹(pi)配，雖(sui)然高(gao)溫顆粒(li)的工(gong)作溫度可(ke)以高(gao)達(da)1000℃，但在換熱(re)(re)時可(ke)以只將水蒸(zheng)氣(qi)加熱(re)(re)到600℃左(zuo)右，就像當前的熔鹽(yan)儲熱(re)(re)型光熱(re)(re)電(dian)站(zhan)一樣。

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