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作者：Alsagri Ali Sulaiman,Chiasson Andrew,Gadalla Mohamed.

題目：Viability Assessment of a Concentrated Solar Power Tower With a Supercritical CO?Brayton Cycle Power Plant[J].

期刊：Journal of Solar Energy Engineering,2019,141(5):

DOI:10.1115/1.4043515

全文導讀

本(ben)文對(dui)(dui)(dui)集(ji)成太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)塔式集(ji)熱裝置與超臨(lin)界CO?動力循環(huan)集(ji)成的(de)太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)熱發(fa)電系統的(de)熱經濟(ji)性進行(xing)分析(xi)。研(yan)究以超臨(lin)界CO?再壓縮循環(huan)為動力單元，利用(yong)熔融(rong)(rong)硝酸(suan)鹽雙罐熱能(neng)(neng)(neng)儲存裝置對(dui)(dui)(dui)太陽(yang)熱能(neng)(neng)(neng)進行(xing)儲存，針對(dui)(dui)(dui)不同的(de)儲能(neng)(neng)(neng)時(shi)(shi)長分析(xi)超臨(lin)界CO?太陽(yang)能(neng)(neng)(neng)熱發(fa)電系統的(de)經濟(ji)性進行(xing)分析(xi)。研(yan)究發(fa)現(xian)，12小時(shi)(shi)高溫融(rong)(rong)鹽熱能(neng)(neng)(neng)儲存的(de)經濟(ji)性能(neng)(neng)(neng)最佳，其發(fa)電成本(ben)相比(bi)于(yu)無(wu)儲能(neng)(neng)(neng)時(shi)(shi)降低50%。

本研究(jiu)的(de)目的(de)是，對驅動超臨界(jie)CO?再壓縮布雷頓循環的(de)太(tai)陽能熱(re)發電裝(zhuang)置（CSP）進(jin)行熱(re)力學(xue)和經濟(ji)分析(xi)。

本文的(de)目標是(shi)，評估白天超臨界CO?發電機(ji)組在(zai)中(zhong)高溫太陽(yang)能可(ke)用(yong)位(wei)置的(de)系統可(ke)行(xing)性，并調(diao)查4、8、12和16小時蓄熱對增加太陽(yang)能利用(yong)率和年發電量的(de)作用(yong)。

本文以沙(sha)特阿拉伯（利雅(ya)得）的(de)一座城市為例，給出了系(xi)統(tong)優化與評(ping)估的(de)案例。為了實現單位成本內(nei)最高的(de)能(neng)源產量，本文對定日鏡場設計、超臨界CO?布(bu)雷頓循環(huan)和熔鹽(yan)儲能(neng)（TES）調(diao)度系(xi)統(tong)以及相(xiang)應的(de)運行(xing)參數進行(xing)了優化。

太陽能(neng)熱塔式發電(dian)系(xi)統（SPT）是(shi)一種(zhong)CSP系(xi)統，因為其可以在相對較高(gao)的溫度下(xia)運行。目前的SPT—TES場(chang)(chang)由定日(ri)鏡場(chang)(chang)、太陽能(neng)塔、接(jie)收器、換(huan)熱器和(he)兩個熔(rong)鹽(yan)TES罐組成(cheng)。主要的熱經濟(ji)性指標是(shi)容量系(xi)數和(he)平準化電(dian)力(li)成(cheng)本（LCOE）。

研究結(jie)果表明，采用超臨界CO?動力(li)循環的(de)SPT-TES，使(shi)用熔融鹽進行(xing)12小(xiao)時(shi)的(de)蓄熱，這在經(jing)濟上是可行(xing)的(de)。結(jie)果還表明，在最佳(jia)LCOE為$0.1078/kW h時(shi)，將12小(xiao)時(shi)蓄熱裝置與一個SPT集成，對60%的(de)容量因(yin)數有很(hen)大的(de)積極影響。

圖(tu)：塔式(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)聚光集熱系統(tong)

結果討論

本研究的主(zhu)要目(mu)標是開發綜合CSP模(mo)(mo)型(xing)，使用（SAM、工程(cheng)方程(cheng)求(qiu)解器（EES）和SOLARPILOT）來研究具有超臨(lin)界CO?動力循環的SPT電(dian)廠(chang)的可(ke)行(xing)(xing)(xing)性。該模(mo)(mo)型(xing)優化了定日鏡場(chang)和TES調(diao)度，并預測了TES在不同運(yun)行(xing)(xing)(xing)模(mo)(mo)式(shi)下全年連續運(yun)行(xing)(xing)(xing)的年太(tai)陽能場(chang)能量輸(shu)出(chu)。

首先，與非TES—CSP相比，SPT裝置（TES-CSP）中(zhong)加入足夠的(de)熔鹽蓄(xu)熱對(dui)裝置性能(neng)和經(jing)濟(ji)性有著強烈(lie)的(de)積極影響。此外，在蓄(xu)熱12小時(shi)(shi)的(de)情(qing)況下(xia)，LCOE從0.209美元(yuan)/千(qian)瓦時(shi)(shi)（非TES—CSP）降至(zhi)0.1078美元(yuan)/千(qian)瓦時(shi)(shi)（TES-CSP），降幅為50%。因此，CSP—TES是(shi)一種實(shi)用的(de)方法，在技術(shu)和經(jing)濟(ji)上(shang)都是(shi)可行的(de)。

第二，在沙特阿(a)拉伯利雅得，帶有超(chao)臨(lin)界CO?發電廠的(de)(de)(de)CSP系統在經濟上和技術上都是可行的(de)(de)(de)，因(yin)為它具有較高(gao)(gao)的(de)(de)(de)容(rong)量因(yin)數，并(bing)提(ti)供有競(jing)爭力的(de)(de)(de)LCOE。隨著接收器出(chu)口(kou)溫度限(xian)制(zhi)的(de)(de)(de)提(ti)高(gao)(gao)，CSP—超(chao)臨(lin)界CO?每千瓦時的(de)(de)(de)價格預計將進一步下降。SNL的(de)(de)(de)一項研究預計，通過將硝酸鹽出(chu)口(kou)溫度限(xian)制(zhi)提(ti)高(gao)(gao)到650°C，LCOE將減少8%。

第三，熔(rong)融(rong)鹽【60%硝酸(suan)鈉(na)（NaNO?）+40%硝酸(suan)鉀（KNO?）】適合作(zuo)為(wei)HTF、還原劑(ji)冷卻劑(ji)和(he)蓄熱介(jie)質，并具有(you)技術和(he)經(jing)濟效益（即無毒、熱容高、成分穩定）。但是(shi)，與熔(rong)鹽接觸的所有(you)設備必(bi)須(xu)進行微(wei)量加(jia)熱和(he)隔熱，以避(bi)免鹽凍(dong)結（鹽在230°C下(xia)凍(dong)結）。

第四，定日鏡在資本(ben)(ben)成本(ben)(ben)中所占比例(li)最高，約占系統總投資的(de)50%，應更多地關注定日鏡技術的(de)改進，以降低SPT裝置的(de)成本(ben)(ben)。

根據動(dong)力(li)塊中的?分析，主(zhu)加熱(re)(re)器(qi)的熱(re)(re)力(li)損(sun)失(shi)最高，其次(ci)是LTR。另(ling)一方面，汽輪機和(he)壓縮機的熱(re)(re)力(li)損(sun)失(shi)最低(di)。循(xun)環的高潛力(li)改進應(ying)集中在熱(re)(re)交換器(qi)上(shang)，尤其是主(zhu)加熱(re)(re)器(qi)和(he)低(di)溫回熱(re)(re)器(qi)上(shang)。

此外，沙特阿(a)拉(la)伯的(de)利雅得(de)是塔式太陽能(neng)電站的(de)合(he)適(shi)城市，因為它提供了關鍵的(de)成功因素。首先，DNI相對較高(gao)（年(nian)平均(jun)約為7.65 kWh/m2/天），年(nian)平均(jun)風(feng)速正(zheng)常(chang)(約3米/秒）。

最后，向沙(sha)特(te)阿拉伯社(she)區引入太陽能(neng)是(shi)“適應(ying)新的2030年(nian)沙(sha)特(te)愿景(jing)”的一部分(fen)，該(gai)愿景(jing)是(shi)經濟(ji)多元(yuan)化(hua)計劃的一部分(fen)，旨(zhi)在促進(jin)可(ke)再生能(neng)源(yuan)使(shi)用以(yi)實現國(guo)家可(ke)持續性。（圖(tu)文：梁婭冉）