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CSPPLAZA光熱發電網訊：目前，來(lai)自美國桑迪(di)亞國家(jia)實(shi)驗室（SNL）的(de)一個太陽(yang)能研(yan)究實(shi)驗室正在積(ji)極開發(fa)(fa)一種創新(xin)的(de)太陽(yang)能熱發(fa)(fa)電技(ji)術，即利用高溫(wen)鋁土礦顆(ke)粒作(zuo)為傳儲熱介質、與超臨界CO2光(guang)熱發(fa)(fa)電系統相結合(he)，旨(zhi)在實(shi)現700℃以上(shang)的(de)高工(gong)作(zuo)溫(wen)度的(de)同(tong)時(shi)將(jiang)光(guang)熱發(fa)(fa)電成本降(jiang)至5美分/kWh（約合(he)人(ren)民(min)幣0.32元/kWh）。

今年年初，桑(sang)迪亞實(shi)驗室(shi)的研究團隊(dui)獲得(de)了美(mei)國能(neng)源部（DOE）撥付的約2500萬美(mei)元(yuan)的資金(jin)支持，該筆資金(jin)將(jiang)用于建造一座至少可(ke)儲存(cun)6小時熱能(neng)的1MW示范(fan)項(xiang)目。

與常規(gui)光熱發(fa)電不同的是，該團隊將(jiang)(jiang)采用(yong)鋁土礦顆粒作(zuo)為傳(chuan)儲(chu)熱介質，通過光熱發(fa)電系統將(jiang)(jiang)粒子(zi)加熱到遠超(chao)700℃的“超(chao)臨界”水(shui)平，以將(jiang)(jiang)太陽光轉化為熱能。然后，這些(xie)熱能可以被儲(chu)存起(qi)來，并用(yong)于為渦輪機提供動力(li)，在(zai)白天(tian)或晚(wan)上的任何時間按需發(fa)電。

為何選擇高溫顆粒？

相(xiang)比(bi)傳統蒸(zheng)汽、導(dao)熱(re)油和熔(rong)(rong)鹽等光熱(re)電站(zhan)用傳儲(chu)熱(re)介(jie)質，高溫(wen)顆粒非常便宜且(qie)與上述傳熱(re)流(liu)體一(yi)樣耐用，并具(ju)有(you)與熔(rong)(rong)鹽一(yi)樣優(you)秀的儲(chu)熱(re)能力。

與傳統的(de)液體儲熱技術一樣，基于(yu)高(gao)溫粒(li)子(zi)的(de)光熱發(fa)電(dian)系統也可(ke)以在數十年的(de)日常循環(huan)中經濟高(gao)效(xiao)地儲存(cun)并釋(shi)放熱量。同時，憑(ping)借顆(ke)粒(li)在更高(gao)溫度下的(de)穩定(ding)性(xing)，將可(ke)充(chong)分滿足未來電(dian)網接納更大規模間歇性(xing)可(ke)再生能源的(de)長期(qi)儲能需(xu)求。

對于(yu)桑(sang)迪(di)亞選擇(ze)的鋁土礦高溫(wen)(wen)顆粒(li)，實驗室首席研究員(yuan)Cliff Ho介紹道：“根據需(xu)要，你可以將熱量儲存在(zai)顆粒(li)中幾(ji)天(tian)甚至幾(ji)周。而(er)且(qie)，與目(mu)前(qian)常用(yong)的熔(rong)鹽介質(zhi)最高工作溫(wen)(wen)度不到600℃且(qie)容易高溫(wen)(wen)分解并存在(zai)低溫(wen)(wen)凝固(gu)風險不同的是，這些顆粒(li)在(zai)高達1000°C的高溫(wen)(wen)下仍可保(bao)持穩定。”

Cliff Ho進一(yi)步(bu)表示，選擇顆粒介質將使用(yong)專用(yong)的(de)下落粒子接(jie)收(shou)器(qi)，而采(cai)用(yong)該(gai)接(jie)收(shou)器(qi)的(de)一(yi)大優勢是可以(yi)不使用(yong)昂貴(gui)的(de)金屬管狀接(jie)收(shou)器(qi)。

Cliff Ho表示，“我們(men)實際(ji)上是將顆(ke)粒放入由耐火絕緣墻組成的空腔內，如果需(xu)要更換，成本也很(hen)低。該接收(shou)器就是一個帶(dai)有開(kai)口的盒子，集中(zhong)反射過(guo)來的陽光可(ke)以通過(guo)開(kai)口進(jin)入。如果由于各種(zhong)原因使(shi)后壁(bi)或(huo)前孔過(guo)熱(re)(re)并損(sun)壞（在測試中(zhong)已經發生(sheng)過(guo)類似(si)情況），也很(hen)容易更換。而且(qie)，我們(men)也無需(xu)對管道和儲罐(guan)進(jin)行(xing)保溫來防止(zhi)(zhi)儲熱(re)(re)介質(zhi)凝(ning)固(gu)、腐(fu)蝕或(huo)者泄露(lu)，也不(bu)需(xu)要使(shi)用昂貴的電加熱(re)(re)來防止(zhi)(zhi)夜間凝(ning)固(gu)。事實上儲存鋁(lv)土礦顆(ke)粒非常(chang)簡單，就像往(wang)糧倉中(zhong)放糧食一樣讓它們(men)落入儲罐(guan)中(zhong)即可(ke)，換熱(re)(re)后再用工具把它們(men)送回塔頂重新加熱(re)(re)循(xun)環使(shi)用。”

此(ci)外，據Cliff Ho介紹，高(gao)溫顆(ke)粒(li)還(huan)有(you)一(yi)大(da)優勢是它(ta)們是自絕緣(yuan)的，而且熱導率非常低，預計(ji)實驗系統的顆(ke)粒(li)儲熱系統一(yi)夜(ye)的溫度損失可以(yi)限制(zhi)在1-2%，擴(kuo)大(da)至商業(ye)化規模，一(yi)夜(ye)可能僅會下(xia)降幾(ji)度而已。

可快速響應太陽熱量變化

根據已進行(xing)的相關測試結果，桑迪亞(ya)研究團隊(dui)在(zai)(zai)所發(fa)表論(lun)文中介(jie)紹了(le)如何通過控制粒(li)子在(zai)(zai)接收器中的瞬時(shi)流量變化(hua)來應對太陽能(neng)輻射的瞬時(shi)變化(hua)，從(cong)而保證系統(tong)的正(zheng)常運行(xing)。

Cliff Ho表示：“在接(jie)收(shou)(shou)器(qi)上方(fang)有(you)一個滑(hua)動(dong)門(men)，可(ke)以(yi)控制顆粒(li)(li)(li)從料斗流入接(jie)收(shou)(shou)器(qi)的(de)數(shu)量(liang)(liang)。當(dang)進(jin)入接(jie)收(shou)(shou)器(qi)的(de)太陽能(neng)輻射量(liang)(liang)高時，就可(ke)以(yi)加大粒(li)(li)(li)子流量(liang)(liang)來吸收(shou)(shou)能(neng)量(liang)(liang)，從而將溫度(du)(du)升高到設計值。當(dang)云層飄過(guo)時，進(jin)入接(jie)收(shou)(shou)器(qi)的(de)輻射量(liang)(liang)降低。這時我們可(ke)以(yi)逐漸關閉滑(hua)動(dong)門(men)以(yi)減(jian)少顆粒(li)(li)(li)流量(liang)(liang)。最終(zhong)，雖然輻照(zhao)強(qiang)度(du)(du)減(jian)弱，但因為粒(li)(li)(li)子流量(liang)(liang)也相應(ying)變(bian)小，依然可(ke)以(yi)達到相同的(de)出口溫度(du)(du)。”

此前三年(nian)中，桑(sang)迪亞(ya)研究(jiu)團(tuan)隊已對1MWt高(gao)溫顆(ke)粒(li)(li)接收器系(xi)統的(de)(de)集(ji)成設(she)計進行(xing)了技(ji)術經濟分析與(yu)建(jian)模，測算數據表明(ming)：即使在1到2米(mi)的(de)(de)小幅下落高(gao)度(du)和介于1至7公斤每秒(miao)的(de)(de)墜(zhui)落速(su)度(du)，太陽(yang)能直接輻照也可(ke)以非常(chang)快速(su)地加熱粒(li)(li)子，并可(ke)實現超過700°C的(de)(de)工(gong)作溫度(du)。

有望十年內實現商用

獲得DOE資助之(zhi)后(hou)，桑(sang)迪(di)亞(ya)研(yan)究(jiu)團(tuan)隊將進(jin)一步(bu)通過構建一定規模的(de)(de)(de)(de)試(shi)驗(yan)系統并(bing)運行數千小時(shi)來證明設計的(de)(de)(de)(de)可行性，同時(shi)發現(xian)并(bing)修復長時(shi)間運行之(zhi)后(hou)可能出現(xian)的(de)(de)(de)(de)問題(ti)，并(bing)最終解決(jue)該(gai)技術走向規模化的(de)(de)(de)(de)相關工程問題(ti)。據悉，試(shi)驗(yan)電站的(de)(de)(de)(de)吸熱塔(ta)將建在桑(sang)迪(di)亞(ya)現(xian)有的(de)(de)(de)(de)試(shi)驗(yan)場(chang)(chang)，該(gai)場(chang)(chang)地現(xian)已建有6MWt太陽定日鏡場(chang)(chang)。

Cliff Ho表示：“通(tong)過該試(shi)驗系(xi)統，我(wo)們(men)將進(jin)一(yi)步降低未來(lai)整體系(xi)統集成(cheng)測(ce)試(shi)可能(neng)存(cun)在的一(yi)些關鍵領域的風(feng)險。當前最重(zhong)要的是要將各(ge)個組成(cheng)部分集成(cheng)起來(lai)，包括在接收器中(zhong)(zhong)將顆粒加熱(re)，然(ran)后儲(chu)存(cun)至容量至少為6MWh的儲(chu)罐中(zhong)(zhong)，然(ran)后通(tong)過換(huan)熱(re)將熱(re)量從顆粒中(zhong)(zhong)釋放并進(jin)行循環運行。我(wo)們(men)將通(tong)過數千小時的運行與(yu)實際(ji)操作來(lai)證明(ming)技(ji)術的可行性，這也是我(wo)們(men)最終的目標。”

Cliff Ho認(ren)為，上(shang)述以高溫(wen)顆(ke)(ke)粒作為傳儲熱介質的新一代CSP技術有望在十(shi)年內實現(xian)商(shang)業化(hua)應用。他對此(ci)進一步說(shuo)明，通過未(wei)來五年左(zuo)右時(shi)間，研(yan)發團隊將使基于高溫(wen)顆(ke)(ke)粒的傳儲熱系(xi)統的運(yun)行風險充分降低；再通過五年左(zuo)右時(shi)間，顆(ke)(ke)粒儲能系(xi)統就將可以與商(shang)業化(hua)超臨界CO2系(xi)統完成(cheng)集成(cheng)。

據悉(xi)，DOE還在(zai)(zai)積(ji)極支持另一研發團(tuan)隊開(kai)發超(chao)臨(lin)界(jie)CO2動力(li)系(xi)統(tong)(tong)并最終將使顆(ke)粒儲熱技術與(yu)超(chao)臨(lin)界(jie)CO2動力(li)系(xi)統(tong)(tong)完成耦(ou)合。在(zai)(zai)超(chao)臨(lin)界(jie)CO2布(bu)雷頓循環中，CO2在(zai)(zai)臨(lin)界(jie)溫度31°C和壓(ya)力(li)7.39 MPa(1,072 psi)的閉合回路中運行，可獲得更經濟、更簡單和更高效的高溫動力(li)系(xi)統(tong)(tong)。

Cliff Ho表示，當下人們強(qiang)烈希望開(kai)發下一代電力(li)(li)循(xun)環系統(tong)。比如用于100兆瓦(wa)蒸汽(qi)動力(li)(li)循(xun)環的(de)渦輪機很大，而同等規(gui)模的(de)超臨界CO2動力(li)(li)系統(tong)渦輪機尺寸則要小得多。

Cliff Ho指出(chu)，即使未(wei)來超臨界CO2循環系統(tong)仍未(wei)發(fa)展成熟，桑迪亞團(tuan)隊(dui)的(de)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)顆粒儲熱技術也可直(zhi)接與常(chang)規(gui)光熱發(fa)電(dian)系統(tong)的(de)蒸汽動力系統(tong)相匹配，雖(sui)然高(gao)(gao)(gao)溫(wen)顆粒的(de)工作溫(wen)度可以高(gao)(gao)(gao)達1000℃，但在(zai)換熱時可以只將(jiang)水蒸氣加熱到(dao)600℃左右(you)，就像當前的(de)熔鹽儲熱型光熱電(dian)站一樣。

深入了解該技術也可觀看如下視頻：