CSPPLAZA光熱發電網訊：目前，來自美國桑迪亞國家實驗室（SNL）的一個太陽能研究實驗室正在積極開發一種創新的太陽能熱發電技術，即利用高溫鋁土礦顆粒作為傳儲熱介質、與超臨界CO2光熱發電系統相結合，旨在實現700℃以上的高工作溫度的同時將光熱發電成本降至5美分/kWh（約合人民幣0.32元/kWh）。

今年年初，桑迪亞實驗室的研究團隊獲得了美國能源部（DOE）撥付的約2500萬美元的資金支持，該筆資金將用于建造一座至少可儲存6小時熱能的1MW示范項目。

與常規光熱發電不同的是，該團隊將采用鋁土礦顆粒作為傳儲熱介質，通過光熱發電系統將粒子加熱到遠超700℃的“超臨界”水平，以將太陽光轉化為熱能。然后，這些熱能可以被儲存起來，并用于為渦輪機提供動力，在白天或晚上的任何時間按需發電。

為何選擇高溫顆粒？

相比傳統蒸汽、導熱油和熔鹽等光熱電站用傳儲熱介質，高溫顆粒非常便宜且與上述傳熱流體一樣耐用，并具有與熔鹽一樣優秀的儲熱能力。

與傳統的液體儲熱技術一樣，基于高溫粒子的光熱發電系統也可以在數十年的日常循環中經濟高效地儲存并釋放熱量。同時，憑借顆粒在更高溫度下的穩定性，將可充分滿足未來電網接納更大規模間歇性可再生能源的長期儲能需求。

對于桑迪亞選擇的鋁土礦高溫顆粒，實驗室首席研究員Cliff Ho介紹道：“根據需要，你可以將熱量儲存在顆粒中幾天甚至幾周。而且，與目前常用的熔鹽介質最高工作溫度不到600℃且容易高溫分解并存在低溫凝固風險不同的是，這些顆粒在高達1000°C的高溫下仍可保持穩定。”

Cliff Ho進一步表示，選擇顆粒介質將使用專用的下落粒子接收器，而采用該接收器的一大優勢是可以不使用昂貴的金屬管狀接收器。

Cliff Ho表示，“我們實際上是將顆粒放入由耐火絕緣墻組成的空腔內，如果需要更換，成本也很低。該接收器就是一個帶有開口的盒子，集中反射過來的陽光可以通過開口進入。如果由于各種原因使后壁或前孔過熱并損壞（在測試中已經發生過類似情況），也很容易更換。而且，我們也無需對管道和儲罐進行保溫來防止儲熱介質凝固、腐蝕或者泄露，也不需要使用昂貴的電加熱來防止夜間凝固。事實上儲存鋁土礦顆粒非常簡單，就像往糧倉中放糧食一樣讓它們落入儲罐中即可，換熱后再用工具把它們送回塔頂重新加熱循環使用。”

此外，據Cliff Ho介紹，高溫顆粒還有一大優勢是它們是自絕緣的，而且熱導率非常低，預計實驗系統的顆粒儲熱系統一夜的溫度損失可以限制在1-2%，擴大至商業化規模，一夜可能僅會下降幾度而已。

可快速響應太陽熱量變化

根據已進行的相關測試結果，桑迪亞研究團隊在所發表論文中介紹了如何通過控制粒子在接收器中的瞬時流量變化來應對太陽能輻射的瞬時變化，從而保證系統的正常運行。

Cliff Ho表示：“在接收器上方有一個滑動門，可以控制顆粒從料斗流入接收器的數量。當進入接收器的太陽能輻射量高時，就可以加大粒子流量來吸收能量，從而將溫度升高到設計值。當云層飄過時，進入接收器的輻射量降低。這時我們可以逐漸關閉滑動門以減少顆粒流量。最終，雖然輻照強度減弱，但因為粒子流量也相應變小，依然可以達到相同的出口溫度。”

此前三年中，桑迪亞研究團隊已對1MWt高溫顆粒接收器系統的集成設計進行了技術經濟分析與建模，測算數據表明：即使在1到2米的小幅下落高度和介于1至7公斤每秒的墜落速度，太陽能直接輻照也可以非常快速地加熱粒子，并可實現超過700°C的工作溫度。

有望十年內實現商用

獲得DOE資助之后，桑迪亞研究團隊將進一步通過構建一定規模的試驗系統并運行數千小時來證明設計的可行性，同時發現并修復長時間運行之后可能出現的問題，并最終解決該技術走向規模化的相關工程問題。據悉，試驗電站的吸熱塔將建在桑迪亞現有的試驗場，該場地現已建有6MWt太陽定日鏡場。

Cliff Ho表示：“通過該試驗系統，我們將進一步降低未來整體系統集成測試可能存在的一些關鍵領域的風險。當前最重要的是要將各個組成部分集成起來，包括在接收器中將顆粒加熱，然后儲存至容量至少為6MWh的儲罐中，然后通過換熱將熱量從顆粒中釋放并進行循環運行。我們將通過數千小時的運行與實際操作來證明技術的可行性，這也是我們最終的目標。”

Cliff Ho認為，上述以高溫顆粒作為傳儲熱介質的新一代CSP技術有望在十年內實現商業化應用。他對此進一步說明，通過未來五年左右時間，研發團隊將使基于高溫顆粒的傳儲熱系統的運行風險充分降低；再通過五年左右時間，顆粒儲能系統就將可以與商業化超臨界CO2系統完成集成。

據悉，DOE還在積極支持另一研發團隊開發超臨界CO2動力系統并最終將使顆粒儲熱技術與超臨界CO2動力系統完成耦合。在超臨界CO2布雷頓循環中，CO2在臨界溫度31°C和壓力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系統。

Cliff Ho表示，當下人們強烈希望開發下一代電力循環系統。比如用于100兆瓦蒸汽動力循環的渦輪機很大，而同等規模的超臨界CO2動力系統渦輪機尺寸則要小得多。

Cliff Ho指出，即使未來超臨界CO2循環系統仍未發展成熟，桑迪亞團隊的高溫顆粒儲熱技術也可直接與常規光熱發電系統的蒸汽動力系統相匹配，雖然高溫顆粒的工作溫度可以高達1000℃，但在換熱時可以只將水蒸氣加熱到600℃左右，就像當前的熔鹽儲熱型光熱電站一樣。

深入了解該技術也可觀看如下視頻：