美国Sandia实验室最近发表一篇论文，介绍了以铝土矿等颗粒作为传热介质的塔式太阳能热发电系统中，如何在高达1500°C的温度下传递热量，并对传热成本进行了分析。
作为首个全面研究集成组件系统（如用于运输颗沙的起重器和输送机）的研究论文之一，论文发现，移动大量的热颗粒是可行的，只是需要多个提升机或数条输送线，而且整个系统平准化度电成本可能高达1美分/千瓦时。
约3吨的热沙在任何时候都会自由落体约5秒钟，以每秒60米的速度撞击下面的反应堆
论文中，研究人员对100MWe塔式太阳能热发电项目中的高温颗粒输送组件的设计和经济性进行了分析。建议系统设计人员尽可能使用基于重力的方法，以满足美国能源部设定的到2030年带12小时储能太阳能热发电系统实现5美分/千瓦时的成本目标。
采用颗粒作为传储热介质的优势
就新一代塔式光热发电技术而言，研究用于收集和传递太阳热能的颗粒介质很重要。由于大多数陶瓷颗粒都可以承受高达1500°C以及更高的温度，这不仅使发电系统更加高效，而且在难以脱碳的工业中还可以直接替代化石燃料。如，在水泥和钢铁生产通常需要高温，这使得这项技术对于实现整体减排二氧化碳目标具有独特的重要性。
在这项技术中，颗粒在吸热塔顶被聚光场中数千面镜子反射的集中阳光加热后，从开放式吸热器上落下，利用重力作用，颗粒从吸热器下落到储热罐，通过热交换器落到底部的冷罐里，然后返回塔上进行再加热以再次循环。
然而，运输如此多的颗粒也带来了工程上的挑战，因为不仅要将塔架抬高到吸热塔顶部260米处，还要将其水平输送到可以掉落的地方。其中一个关键考虑因素是如何移动如此多的颗粒。如果将这种颗粒作为传储热介质的太阳集热技术用于在商业项目来取代化石燃料产热，其规模约为100～150MWe，这将涉及超过5万吨的连续循环颗粒。而几乎3吨的颗粒在任何时候都会自由落体约5秒，以每秒60米的速度撞击下面的反应堆。
借鉴采矿业的经验
在这项新研究中，Sandia研究人员利用采矿提升机的经验，确定适用于基于颗粒的太阳能热发电技术，就商业用颗粒的处理和输送组件的技术准备水平、性能限制、资本和运营成本，以及预期热损失进行了深入研究。
论文的主要作者Jeremy Sment指出，“我们对水平输送进行了研究，将颗粒水平移动到下一个组件的成本是多少？在这个温度下容纳5万吨的颗粒，并将它们提升到250米高的塔顶，到底要花多少钱？我曾与起重机专家、输送机制造商和筒仓设计工程师合作，我们得出的结论是，这完全有可能符合美国能源部提出的关于太阳能热发电的电力成本目标。”
他补充说：“我们还研究了通过重力移动颗粒的塔式集成系统，绕过组件之间移动颗粒所需的输送机械。我们开发了一个塔式集成存储模型，该模型表明了塔壁中需要多少材料来支撑这些颗粒。粗略估计，这可能需要900万到1300万美元用于垂直集成系统的额外混凝土、额外钢筋等材料费用。”
当然，这种设计有望降低均化电力成本（LCOE）。然而，以前从未建造过具有大量存储空间的太阳能塔，这需要更多的工作来量化额外的加固，以支撑塔中所含颗粒的全部重量。
工作进展
虽然简单的溜槽在直觉上似乎是卸载颗粒的最便宜的选择，因为这只是依靠重力便可以输送颗粒。但Sment发现，如果需要增加塔的额外高度来支撑从箕斗到吸热器的斜槽，那么额外建造塔的成本实际上并不是好的选择。
论文表示，颗粒系统的吸热塔可能需要更高，以适应跳跃的倾覆半径，排放箱，吸热器的倾斜管道系统，以及颗粒堆的额外高度，足以覆盖吸热器的宽度。
“你必须把塔顶抬高到足以在吸热器顶部安装一个料斗，该料斗可以将颗粒流入吸热器，”Sment说。“这是昂贵的钢铁工程。因此，一旦这些倾斜度变得如此之高，以至于塔壁必须延伸，机械输送机就开始成为颗粒处理的低成本选择。”
Sment表示，早期相关研究的结果有点令人沮丧，我们用了一些不同思路重新计算，这些设计并不依赖于增加塔的高度，这应该更适合每千瓦时6美分到5美分的成本目标。
更好的方法可能是在塔内跳跃，将其装载的颗粒直接倾倒到吸热器上方的盒子中。
Sment解释：“如果在塔内不需要水平输送，因为跳跃可以设计为直接排放到吸热器中。但我不知道是否要使用滑槽或者使用输送机。这些都需要充分了解吸热塔的成本，才能真正做出这一决定。”
对商业化项目的调研表明，热储存罐必须在热交换器上方。
Sment说，我们已经考虑将储能提升到热交换器上方，因为现在天气太热了，无法移动800°C～1000°C的颗粒。如果没有昂贵的金属合金，任何超过640°C的钢材都会受到软化点的限制，因为我们不希望输送机冷却系统或露天通风从颗粒中吸收热量。而通过抬高储料箱，可以将其直接排放到热交换器中，从而将加热的颗粒降低到约500°C，在那里它们可以安全地移动到颗粒输送机中。
据了解，意大利一家Magaldi公司拥有专利权的Eco Belt技术，能够处理约640°C的颗粒， 冷却后在塔底进行水平输送，其产能高达每小时1800吨。
他指出：“我们将对这些颗粒进行编号，以达到我们需要的容量。对于700万美元左右的物品，我们可以使用两台输送机将1000千克/秒的颗粒，从热交换器下方输送到冷罐中。”
Sment强调，研究人员正在对实际成本的技术经济进行比较工作。例如，使用两个跳跃式提升机来提升颗粒将超过美国能源部的成本目标。但一台跳跃式提升机将接近采矿业先例的重量限制。
除了对输送系统进行编号外，还有一些系统设计因素会影响流速；这包括颗粒类型、颗粒温度和热能储存能力。这些变化可能会影响吸热器或热交换器的选择，或者可能会在相关组件中产生工程返工，有可能会影响最佳性能，因此需要更多的系统分析。
目前上述问题也还存在许多不确定性，需要更多的研究和开发，让基于颗粒的塔式太阳能热发电技术的开发人员了解颗粒循环系统的成本和局限性。
来源：https://helioscsp.com/
作者：Susan Kraemer
图片：Sandia
翻译 ：董清风
