槽式和线性菲涅耳太阳能热发电的技术发展路线

时间:2017-09-01 09:25来源:太阳能光热联盟
  国际能源署《太阳能热发电技术路线图》中,对未来的技术发展进行了展望,国家光热联盟特将相关内容编译如下,以供参考:
  1、聚光:线聚集 vs. 点聚焦系统
  聚集太阳光可以实现更高的工作温度,而且集热效率更好。这,反过来,将热能转化成机械动能及电能的效率更高,这是卡诺定理的结果。理想的卡诺效率是热源和冷源之间的温差与热源的绝对温度(开尔文)之间的比值。各类聚光比或“太阳”的工作温度对应的吸热器效率、转化为电能的卡诺效率,以及太阳能到电能的总效率如图1所示。左侧图中,聚光比40-100太阳代表了线聚焦系统(槽式或线性菲涅尔)。右侧图中,聚光比100-2000太阳代表了点聚焦系统(塔式或碟式)。吸热器的效率取决于技术状态,而卡诺效率代表了一种物理定律,表示最大可能的转化效率。总效率是集热器效率与卡诺效率和固定系数的乘积,固定系数设定为0.7,表示热机的不完美。点聚焦系统能将进入吸热器内的大部分能量转化为电能,所转化能量比线性系统要多。每一个聚光水平都对应一个当前吸热器技术的最佳温度水平,其将总效率最大化。聚光比100对应的温度约400℃,聚光比1000对应的温度约750℃。关键点是对于任一给定的聚光比,都存在一个最佳的工作温度。
图1:以温度为函数的各类聚光比下的效率
  未来需要进一步提高线聚焦系统(槽式和线性菲涅尔反射器系统)和点聚焦系统(主要是塔式)太阳能转化为电能的效率,同时降低投资成本。更高的运行温度是提高热能到电能转化效率的关键。通过更高的温度,储热成本也可以大幅下降。效率的提高也将降低制冷负荷和由于干冷(空冷)导致的性能损失。然而,更高的温度将因为对流和辐射损失的增加导致吸热器热损增大,也可能需要更昂贵的材料。这种利弊权衡可能和聚光比的选择有所不同。
  2、线聚焦系统的技术改进
  以导热油为传热介质的槽式系统是最成熟的技术,但仍有提升的空间。抛物面槽式聚光器本身可以进一步增大其尺寸。反射膜可以替代玻璃,使槽式聚光器更轻、更便宜。吸热管的改进,以及对其它传热介质的研究也在进行中。
  直接蒸汽发生(DSG)是一个选项。它节省了换热器和一些特殊设备,保证了传热介质的质量稳定,但高压使其它部件的成本更昂贵。如果聚光场的蒸汽发生过程管理得当,DSG能够提高蒸汽的稳定和压力;但蒸汽发生过程管理可能是一项复杂的工作。迄今最大的基于DSG技术的商业化槽式电站的容量仅有5MW,但是线性菲涅尔和塔式电站有超过100MW容量使用了DSG技术。
  然而,对于使用DSG的CSP电站,储热是一个特别的挑战。因为水的蒸发是等温的,不像熔盐中显热的增加或去除,来回存储循环将会导致蒸汽温度和压力严重的下降,从而破坏放热模式中热力学循环的效率。在压力容器中储存饱和蒸汽的潜热是很贵的,而且成本方面没有规模效应而言。一种选择是使用三级储热设备,水预热、水蒸发和蒸汽过热。阶段1和阶段3是显热存储,其中储热介质的温度有变化。阶段2最好是潜热存储,其中储热介质的状态发生变化,使用一些相变材料。另外一个选择是使用液态相变材料。
  在与便宜的光伏系统进行激烈竞争的情况下,储热日益增加的重要性倾向于采用熔融盐作为传热介质和储热介质(称为:直接存储)。如果DSG免去了产生蒸汽的换热器,那使用熔融盐作为传热介质将免去储热的换热器。盐比油更便宜。和以油作为传热介质相比,用盐可以将蒸汽的温度从380℃提高至530-550℃,蒸汽的压力从10Mpa提高至12-15MPa,发电模块的效率也从39%提高至44-45%(Lenzen,2014)。 
  由于热盐和冷盐之间的温差更大(目前使用的盐混合物通常在238℃以下凝固),对于同样规模的储热容量,采用熔融盐作为传热介质的电站比导热油槽式电站所需要的盐少三倍。这降低了储热系统的成本,在一座7小时储热的CSP电站总成本中,储热系统成本约占12%。此外,直接储热系统的“return效率”(储热效率)被提升至98%,间接储热的效率约为93%(在其中换热器降低工作温度)。最后,相比较蒸汽,采用熔融盐作为传热介质的另外一个优势是传热可以在薄壁的太阳能吸热器中以低压进行。
  有几家公司正在线聚焦系统中使用熔融盐作为传热介质,并已经建成或正在建设实验或示范装置。但其中面临的一个挑战是降低防止镜场冷凝所需的费用,使盐温保持在一定温度以上(通常高于290℃)以使在任何时候管内的粘度都较好。西西里岛5MW阿基米德电站采用了这一技术,该技术由ENEL和意大利政府机构ENEA联合开发。这个电站是采用熔融盐作为传热和储热介质的槽式联合循环电站。
  在线性菲涅电站中应对这一挑战可能比槽式电站更容易些,因为线性菲涅尔电站的吸热器是固定的(出于这个原因,有时被称为“线性塔”),而槽式电站中吸热器是活动的,以柔性接头和管道进行连接。阿海珐(AREVA)公司已经开发了在线性菲涅尔中采用熔融盐作为传热介质的解决方案,它能够实现有效储热,温度高达565℃,这一技术目前已在桑迪亚国家实验室位于美国墨西哥的熔融盐测试平台中进行了示范。在任何情况下,塔式所面临的挑战都较低,因为中央吸热器是紧凑的,可以更容易的通过重力排空,也更容易将盐罐中的盐保持温热。熔融盐塔式电站已经在西班牙和美国投入运行。
  3、技术发展:行动和里程牌
 
                                                                       (杜凤丽 编译)

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