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最新研究表明:光伏與熔鹽儲能相結合可解決高能耗地區能源需求問題
發布者:admin | 來源:電氣傳播 | 0評論 | 13197查看 | 2021-01-28 20:37:32    

以色列和法國科學家最近的研究表明,將超大規模的光伏與熔鹽儲槽連接起來,對于高能耗地區來說是一種可行的能源技術解決方案。


在(zai)《可再生和(he)可持續(xu)能(neng)源(yuan)評論》(Renewable and Sustainable Energy Reviews)上(shang)發(fa)(fa)表(biao)的一項研(yan)究中,利用(yong)光(guang)伏(fu)和(he)熔鹽儲存提供大(da)規(gui)(gui)模(mo)電力需求,研(yan)究人(ren)員提出(chu)了一個模(mo)型(xing),在(zai)太(tai)陽(yang)直射(she)光(guang)束輻(fu)射(she)低(di)、全球(qiu)太(tai)陽(yang)輻(fu)射(she)水平高的地區,將公用(yong)設施規(gui)(gui)模(mo)的太(tai)陽(yang)能(neng)發(fa)(fa)電與高溫(wen)熔鹽儲存相(xiang)結合。


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學(xue)者們提出(chu)的(de)(de)光伏加蓄熱(PV-TS)解(jie)決(jue)方案,由于光伏技術(shu)提供了(le)“非(fei)常有利的(de)(de)經(jing)濟性”,被(bei)稱為“準備(bei)立即實施”,代表了(le)CSP熔鹽塔的(de)(de)替代品,在CSP技術(shu)被(bei)認為不可(ke)行(xing)的(de)(de)地區,因為集中器不能利用漫(man)射的(de)(de)太陽輻(fu)射。學(xue)者們解(jie)釋(shi)說:“這里的(de)(de)目標不是針對具體(ti)地點的(de)(de)精確答(da)案,而是要看看光伏系統規模、存(cun)儲容量、電網滲透水平和成(cheng)本估(gu)算(suan)的(de)(de)大(da)小(xiao)是否(fou)可(ke)行(xing)。”


在PV-TS裝置中,所產生的(de)太陽能的(de)相當一部分將被用來對熔(rong)鹽儲熱器進行(xing)電阻(zu)加熱,使其溫度超過(guo)565攝(she)氏度,而儲存的(de)熱能又將被用來驅動高效的(de)過(guo)熱汽輪機發電。


以色(se)列-法國小組進行的(de)(de)模擬顯示(shi),在(zai)(zai)某些地(di)區(qu),光伏(fu)發電的(de)(de)電網穿(chuan)透率可(ke)以從不(bu)使用蓄熱(re)時(shi)(shi)的(de)(de)30%左右(you)提高到(dao)僅使用12小時(shi)(shi)蓄熱(re)時(shi)(shi)的(de)(de)80%左右(you)。該組織進一步解釋說:“此(ci)外,只要增加25%的(de)(de)太(tai)陽能投入,就可(ke)以實(shi)現90%的(de)(de)電網普及率。對于日照較高的(de)(de)地(di)區(qu),比(bi)例可(ke)以保(bao)持在(zai)(zai)90%左右(you),額外25%的(de)(de)太(tai)陽能輸入可(ke)以將電網穿(chuan)透率提高到(dao)95%左右(you)。”


在此類項目(mu)中,光(guang)伏發電廠(chang)的(de)(de)(de)規模(mo)不應定為需要(yao)滿足特定白天高(gao)峰需求的(de)(de)(de)公共設施,大部分發電應用于熔(rong)鹽罐(guan)中的(de)(de)(de)蓄熱(re)。研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)指出:“儲存的(de)(de)(de)熱(re)量不僅(jin)能滿足夜間的(de)(de)(de)電力需求,而且能滿足白天次高(gao)峰日照(zhao)時(shi)段的(de)(de)(de)電力需求。”研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)還補充說(shuo),平均約0.64km2的(de)(de)(de)土地(di)面積(ji)對于一個(ge)太(tai)瓦(wa)時(shi)的(de)(de)(de)年發電量是必要(yao)的(de)(de)(de)。


根據他們的(de)說法,研究(jiu)中提出的(de)“非常規(gui)”解決方案也(ye)可能與屋頂光伏陣列和已經在一些(xie)國家退役的(de)化石燃(ran)料和核電站中運(yun)行的(de)大型汽輪機相結合。


研究結果僅涉(she)及美(mei)國領土,但(dan)可以擴展到氣候條(tiao)件和(he)公(gong)用事業需求(qiu)概況相似的所(suo)有(you)地(di)區。論(lun)文指(zhi)出:“對(dui)于平(ping)均(jun)日照比美(mei)國高的地(di)區——其中一些地(di)區的電(dian)(dian)力(li)需求(qiu)狀況恰好與(yu)太陽能利用率有(you)更好的關(guan)聯——每千瓦時用電(dian)(dian)量的光(guang)伏和(he)存儲需求(qiu)將更低。此外,向全電(dian)(dian)動(dong)(dong)汽車的過渡(du)可能會增(zeng)加白天電(dian)(dian)力(li)需求(qiu)的比例,因為白天大(da)部(bu)分的電(dian)(dian)動(dong)(dong)汽車都會進行充(chong)電(dian)(dian)。”


俄(e)羅(luo)斯(si)、前蘇維埃共和國、日本、北亞(ya)和中北歐(ou)與美國一(yi)起被(bei)指出(chu)是(shi)最適合部署PV-TS項目(mu)的地區。


該(gai)研究團隊由以色列本古里安內蓋夫大學(xue)、法(fa)國(guo)艾克斯馬賽大學(xue)和法(fa)國(guo)國(guo)家太陽能聚光系(xi)統研發實驗(yan)室(shi)Promes的科學(xue)家組成。


什么是熔鹽儲能技術?


盡管太(tai)(tai)陽能(neng)技術得到了廣泛使用(yong),但它們卻受到大(da)多(duo)數(shu)可(ke)再生技術的(de)限(xian)制:由于天(tian)氣變化,其運行狀況無法預測。但是(shi),利用(yong)熔融鹽(yan)的(de)高效特性進(jin)行熱傳(chuan)遞,一(yi)種技術可(ke)以將電力生產與天(tian)氣波動隔離開來(lai),更(geng)重要(yao)的(de)是(shi),它可(ke)以根據需要(yao)分配電力而(er)無需使用(yong)天(tian)然氣。這項技術是(shi)一(yi)種集中式太(tai)(tai)陽能(neng)(CSP)技術,圍(wei)繞專有的(de)中央(yang)接收(shou)塔和(he)熔融鹽(yan)回路而(er)構建。


熔鹽(yan)儲(chu)能使用鹽(yan)作為熱(re)能存儲(chu)介質。液態(tai)鹽(yan)被泵送通過面板或電加熱(re)器(qi),在(zai)將其(qi)加熱(re)到儲(chu)熱(re)罐(guan)或蒸汽發(fa)生器(qi)之前,先將其(qi)加熱(re)到570°C。在(zai)這里,它產生過熱(re)的(de)蒸汽來驅動渦(wo)輪。液態(tai)鹽(yan)保存在(zai)絕緣的(de)儲(chu)罐(guan)中,可(ke)以在(zai)其(qi)中調(diao)節體積,以提(ti)供每種應用和(he)位(wei)置所需的(de)存儲(chu)容量。它是存儲(chu)可(ke)再生能源的(de)可(ke)靠(kao)選(xuan)擇,并且是對(dui)現有基礎架構和(he)系統(tong)的(de)靈活,經濟高(gao)效(xiao)的(de)補充(chong)。


蓄(xu)熱被認為是(shi)可再生(sheng)能(neng)源運動的未(wei)來,因為與許(xu)多間(jian)歇性可再生(sheng)資源(例(li)如(ru)風能(neng))不同,蓄(xu)熱提供了(le)具有穩定容量和(he)可調(diao)度性的“零排放”技術(shu)。蓄(xu)熱系統提供了(le)一個(ge)額外(wai)的好處:允(yun)許(xu)對工廠進行設(she)計以(yi)優化電力負荷曲線,以(yi)滿足特定的市場需求。例(li)如(ru),可以(yi)設(she)計一個(ge)工廠以(yi)在需求高峰期最大(da)化發電量,或者在太(tai)陽下山后繼續發電。


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圖1顯示(shi)了(le)如何利用蓄熱系統將電(dian)(dian)力(li)生產“轉移”到需求高峰(feng)期(qi)。當太(tai)(tai)陽開始發(fa)(fa)光時(shi)(shi)會(hui)收(shou)集太(tai)(tai)陽能,但是大(da)約在6小時(shi)(shi)后會(hui)發(fa)(fa)電(dian)(dian),以(yi)便在需求高峰(feng)期(qi)發(fa)(fa)電(dian)(dian)。紅線(xian)(xian)表(biao)示(shi)直接的太(tai)(tai)陽輻射,藍線(xian)(xian)表(biao)示(shi)未保存(cun)的生產曲(qu)線(xian)(xian),藍點虛(xu)線(xian)(xian)表(biao)示(shi)已保存(cun)6小時(shi)(shi)的生產曲(qu)線(xian)(xian)。


技術說明


蓄熱技術采用(yong)太陽能“電力塔”設(she)計(ji),該技術通過將(jiang)能量(liang)集中在安裝在塔上(shang)的(de)中央(yang)熱交換(huan)器(qi)(qi)或接收器(qi)(qi)上(shang),從日光中發(fa)電。


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如上(shang)圖所(suo)示,一個稱為定日鏡的(de)(de)太(tai)陽(yang)跟蹤鏡用于(yu)將太(tai)陽(yang)輻射(she)反射(she)并(bing)(bing)聚集到(dao)接收器(qi)上(shang)(步(bu)驟(zou)1)。在Solar Reserve的(de)(de)太(tai)陽(yang)能(neng)二號(hao)設施,熔(rong)融(rong)(rong)鹽通過接收器(qi)中的(de)(de)管道循(xun)環(huan),收集從太(tai)陽(yang)收集的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)(步(bu)驟(zou)2)。然后(hou)(hou)將熱(re)的(de)(de)熔(rong)融(rong)(rong)鹽輸送到(dao)隔熱(re)的(de)(de)熱(re)儲(chu)罐,在其中可以(yi)以(yi)最小的(de)(de)能(neng)量(liang)(liang)損失(shi)存儲(chu)能(neng)量(liang)(liang)(步(bu)驟(zou)3)。當要發電時,熱(re)的(de)(de)熔(rong)融(rong)(rong)鹽被送至熱(re)交換器(qi)(或蒸汽(qi)發生(sheng)器(qi)),并(bing)(bing)用于(yu)產生(sheng)高溫高壓的(de)(de)蒸汽(qi)。然后(hou)(hou),將蒸汽(qi)用于(yu)為常規蒸汽(qi)輪機提供動力,以(yi)發電(步(bu)驟(zou)4)。離開蒸汽(qi)發生(sheng)器(qi)后(hou)(hou),將熔(rong)融(rong)(rong)鹽送入冷鹽儲(chu)熱(re)罐(步(bu)驟(zou)5)并(bing)(bing)重復該循(xun)環(huan)。


該鹽(yan)(yan)是硝(xiao)酸鈉和(he)硝(xiao)酸鉀的(de)混合(he)物,熔點為460°F。在液態(tai)下(xia),熔融鹽(yan)(yan)的(de)粘度(du)和(he)外觀類似于(yu)水。“在太陽能(neng)應用(yong)中,出于(yu)多(duo)種實際原因使用(yong)熔融鹽(yan)(yan),”SolarReserve首席(xi)執行(xing)官Terry Murphy說,他(ta)與其他(ta)人(ren)一起幫助Rocketdyne開發了(le)熔融鹽(yan)(yan)技術。熔融鹽(yan)(yan)是一種儲熱介質,可以(yi)隨(sui)著(zhu)時(shi)間(jian)的(de)推移非(fei)常有效地(di)保留熱能(neng),并(bing)且可以(yi)在高(gao)于(yu)1000°F的(de)溫度(du)下(xia)運行(xing),與最高(gao)效的(de)蒸汽輪機非(fei)常匹配。其次,它(ta)在工(gong)廠的(de)整個運行(xing)過程中保持液態(tai),這將改善長期可靠性(xing)并(bing)降(jiang)低運維成本。第三,它(ta)是完全“綠色”的(de)熔融鹽(yan)(yan),是一種無毒,易(yi)于(yu)獲(huo)得的(de)材料(liao),


熔融鹽(yan)中央接(jie)收(shou)器技術的(de)(de)主(zhu)要(yao)(yao)優點是可以(yi)將熔融鹽(yan)加熱到1050°F,從(cong)而(er)可以(yi)在公用事業標準(zhun)溫(wen)度(最低(di)1650 psi,1025°F)下生成高(gao)能蒸(zheng)汽(qi),從(cong)而(er)實現高(gao)熱力(li)(li)循環效率在現代蒸(zheng)汽(qi)輪機系統中約占40%。在保持這種高(gao)循環效率的(de)(de)同時,還(huan)允許使用干式冷卻塔(ta),這在具(ju)有最佳太陽能潛力(li)(li)的(de)(de)干旱國(guo)家中很重要(yao)(yao)。通過接(jie)收(shou)器的(de)(de)熔融鹽(yan)傳(chuan)熱回路與主(zhu)蒸(zheng)汽(qi)溫(wen)度和壓力(li)(li)隔離,從(cong)而(er)通過使用低(di)壓鹽(yan)管道節省(sheng)了成本。最后,該(gai)系統的(de)(de)設計(ji)目的(de)(de)是將熔融鹽(yan)回路的(de)(de)長度最小化到小于(yu)2500英尺,并對其進(jin)行(xing)熱跟蹤以(yi)防(fang)止(zhi)“凍結”。


已經(jing)確定了(le)使用(yong)熔融鹽的(de)(de)蓄(xu)熱(re)系(xi)(xi)(xi)統(tong)可(ke)與其他太陽(yang)能(neng)(neng)技術一起使用(yong),例如(ru)拋物(wu)線槽(cao)(cao)(cao)系(xi)(xi)(xi)統(tong),這是(shi)迄今(jin)為止安裝(zhuang)的(de)(de)主要(yao)(yao)太陽(yang)能(neng)(neng)熱(re)技術。槽(cao)(cao)(cao)式工廠將需要(yao)(yao)一個附(fu)加的(de)(de)熱(re)交換(huan)(huan)器(qi),以將能(neng)(neng)量(liang)從工作流體傳遞到(dao)存(cun)(cun)儲(chu)裝(zhuang)置,并將存(cun)(cun)儲(chu)的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)傳遞回蒸汽系(xi)(xi)(xi)統(tong)。據估(gu)計,槽(cao)(cao)(cao)式設備所需的(de)(de)附(fu)加熱(re)交換(huan)(huan)器(qi)導致循(xun)環(huan)效(xiao)率損失高達(da)(da)7%。另外(wai),槽(cao)(cao)(cao)式設備只能(neng)(neng)達(da)(da)到(dao)700°F的(de)(de)高溫工作流體溫度,因此,作為集(ji)成式蓄(xu)熱(re)系(xi)(xi)(xi)統(tong)(蓄(xu)能(neng)(neng)溫度為1050°F),需要(yao)(yao)大(da)約3倍的(de)(de)蓄(xu)熱(re)量(liang)才(cai)能(neng)(neng)產(chan)生給定的(de)(de)電量(liang)。

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